Развитие электрических сетей является одним из важнейших показателей уровня электроэнергетики. Наиболее ответственным и в то же время в большей степени уязвимым звеном электрической сети являются воздушные линии (ВЛ) электропередачи. Ухудшение технического состояния ВЛ в последние десятилетия является одной из основных причин роста их повреждаемости. Положение усугубляется воздействием гололёдно-ветровых нагрузок на все элементы воздушных линий электропередачи.

Износ воздушных линий электропередачи напряжением 110–500 кВ составляет примерно 60 %, а уровень отказов за последние сорок лет возрос примерно в два раза и обусловлен старением материалов и климатическими воздействиями (38 %) [7].

Для эффективной работы ВЛ необходима их модернизация и реконструкция, а дальнейшее развитие электросетевого хозяйства, связанное со строительством новых воздушных линий электропередачи, нуждается в выборе стратегии их развития.

Актуальность работы подтверждается потребностью в разработке концепций, которые могут стать основой для предупреждения или исключения аварий на воздушных линиях электропередачи в период экстремальных метеорологических воздействий.

Проектирование ВЛ следует проводить на базе системного подхода, учитывающего взаимосвязь технических и экономических параметров.

Разработка концепций

Основная задача при строительстве воздушных линий электропередачи – обеспечение надежности и экономической эффективности работы электрических сетей. Так как жизненный цикл развития воздушных линий состоит из трех составляющих: проектирование, монтаж и эксплуатация, то следует рассмотреть пути повышения надежности на этих трех этапах.

В качестве критерия надежности К_н предложен комплексный показатель N_комп, объединяющий надежность при эксплуатации Р_эксп, проектировании Р_проект и механическую прочность ВЛ – n_э:

. (1)

Проектная надежность воздушной линии с учетом принятых расчетных механических нагрузок на их элементы определяется по выражению:

, (2)

где n – срок службы ВЛ, [лет],

Т – период повторяемости, [лет].

Вероятность безотказной работы в течение года можно принять за надежность при эксплуатации:

, (3)

где ω_j – параметр потока отказов для разных (j) вариантов повышения надежности ВЛ [1/год].

Механическая прочность проводов ВЛ оценивается эксплуатационным коэффициентом запаса прочности n_э., который показывает во сколько раз максимальная удельная нагрузка на провод меньше допустимой:

(4)

где γ₁ и γ₇ – удельные нагрузки на провод от массы самого провода и массы провода покрытого гололедом с ветром соответственно, [Н/м·мм²],

γ_в – удельная нагрузка на провод при который он разрушается, [Н/м·мм²].

Оптимальный уровень надежности достигается при минимальной сумме затрат З_ij на комплекс мероприятий по увеличению надежности и покрытию ущерба

,

где У_сист – системный ущерб, У_потр – ущерб от аварийных ограничений потребителя электроэнергии.

(5)

где i – уровень надежности,

И_эij – издержки на эксплуатацию, [тыс. руб.],

Ц_диф.ij – дифференцированный тариф, [руб./ кВт∙ч],

δ = ∆З/∆Н_п – коэффициент коррекции тарифа,

∆З – приращение удельных эксплуатационных затрат у поставщика, [тыс.руб./ кВт∙ч],

∆Н_п – приращение удельных значений недополученной прибыли у потребителя, [тыс.руб./ кВт∙ч], при δ > 1 – надбавка к тарифу, δ < 1 – скидка, δ = 1 – тариф неизменный;

∆W_нj, ∆W_ххj – нагрузочные потери электроэнергии и потери холостого хода, [кВт∙ч/год];

∆W_{плав.гол.j} – потери электроэнергии на плавку гололеда, [кВт∙ч/год[;

Е – норма дисконтирования;

α_д = 1/(1 + Е)^t – коэффициент дисконтирования;

Т_расч – горизонт расчета, [лет].

В качестве критерия экономичности Кэ можно предложить чистый дисконтированный доход:

, (6)

где NPV – чистый дисконтированный доход, [тыс. руб.];

R_ij – доход, достигаемый на t-м шаге расчета, [тыс. руб.];

З_tj – затраты, осуществляемые на t-том шаге с учетом ущерба от недоотпуска электроэнергии, [тыс. руб.];

α_д – коэффициент дисконтирования;

K_tij – капитальные вложения в j-вариант развития ВЛ, [тыс. руб.];

c_к – поправочный коэффициент удорожания капиталовложений;

i – уровень надежности ВЛ.

Выбор оптимального варианта развития воздушных линий электропередачи можно произвести методам Парето.

Для вновь проектируемых и создаваемых воздушных линий электропередачи можно выделить два подхода развития ВЛ, работающих в сложных метеорологических условиях.

Первая концепция – характерна для стран с переходной экономикой, где экономические особенности не позволяют иметь механически надежные конструктивные элементы ВЛ, способные противостоять гололёдно-ветровым нагрузкам без применения плавки гололеда.

Существующие в России нормативные документы предусматривают менее жесткие требования в обеспечении надежности, чем в энергообъединениях США и Европы. В то же время в энергосистемах России предусмотрено более широкое использование средств противоаварийного управления.

Основа правового обеспечения надежности в электроэнергетике заложена в Гражданском кодексе РФ и Федеральном законе «Об электроэнергетике». В соответствии с Гражданским Кодексом РФ энергоснабжающая организация должна подавать потребителю электроэнергию через присоединенную сеть в количестве, предусмотренным договором и с соблюдением режима подачи, согласованного сторонами. При этом уровень надежности электроснабжения жестко и конкретно не устанавливается. Число и длительность отключений как основных показателей надежности, определяют электроснабжающая организация и потребитель в совместном договоре. Гражданский кодекс РФ регламентирует качество подаваемой энергии соответственно требованиям, установленным «Государственными стандартами и иными обязательными правилами». В России действуют «Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения» (ГОСТ Р54149-2010), в которых, однако, не отражены требования потребителей по надежности электроснабжения, в частности по числу перерывов. В «Правилах устройства электроустановок» (ПУЭ-7) определен и нормирован показатель надежности – время отключений (Т_откл). Но число перерывов не нормируется. Поэтому такая норма в современных рыночных отношениях не отражает интересов сторон. Нормирование отказов возможно только на основе использования статистики отказов, характерных для действующих сетей.

Отмеченное позволяет сделать вывод, что существующая в России нормативно-правовая база не приспособлена для введения в действие экономического механизма управления надежностью электроснабжения потребителей при заключении договоров [2].

В целях повышения проектной надежности ВЛ в Правилах устройств электроустановок седьмого издания (ПУЭ-7) увеличен период повторяемости нормативных нагрузок до 25 лет, изменен метод определения расчетных климатических нагрузок. Пересмотрены карты районирования по гололеду и силе ветра. В нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные разработки по высокотехнологическим материалам и конструкциям опор, проводов, изоляторов.

Основные особенности первой концепции развития воздушных линий электропередачи:

– основным способом борьбы с гололедом является плавка гололеда.

Плавка гололеда негативно влияет на экологию окружающей среды и повышает себестоимость передачи электроэнергии в зимний период за счет увеличения потерь электроэнергии (∆W_{плав.гол.j}) [4].

– Период определения расчетных нагрузок, равный T = 25 годам не связан со сроком службы основного оборудования, поэтому не отражает истинного уровня надежности.

– Из-за несовершенства правовой базы нет возможности регулировать надежность экономическими методами. Не учитывается уровень надежности потребителей различных категорий. Нормативными документами не регламентируется число отключений и длительность перерывов. Не утверждена удельная стоимость компенсаций от ущербов; отсутствуют дифференцированные по уровню надежности тарифы на электроэнергию, следовательно, нет стимулирования инвестиций в повышение надежности.

– Отсутствуют базы данных для мониторинга показателей, как системной надежности, так и надежности электроснабжения конечных потребителей.

– Все усилия направлены на совершенствование систем плавки гололеда [7].

Вторая концепция – предполагает компромисс между затратами на создание линии и издержками на её эксплуатацию. Механическая прочность воздушных линий электропередачи и её элементов закладывается выше, чем в первой концепции, но и необходимость в плавке гололеда в процессе эксплуатации возникает реже.

Главные задачи: повышение сроков службы и надежности оборудования ВЛ, снижение сроков строительства и затрат на её эксплуатацию.

Основные особенности второй концепции развития ВЛ:

– в целях повышения проектной надежности ВЛ необходимо согласовать период повторяемости нормативных нагрузок со сроком службы опор. Можно предложить периоды повторяемости, представленные в таблице. При длине ВЛ больше 100 км период повторяемости климатических нагрузок должен быть увеличен пропорционально длине ВЛ.

– Для разных категорий потребителей необходимо утвердить нормируемое количество перерывов в электроснабжении.

– Разработать дифференцированные тарифы для потребителей разной категории надежности [3].

– Для подсчета ущербов от перерыва в электроснабжении необходимо разработать дифференцированную удельную стоимость ущерба перерыва электроснабжения.

Необходимо установление оптимальных расчетных и нерасчетных (включая форс-мажор) условий, степени ответственности субъектов в зависимости от этих условий, а также механизмов компенсации ущербов через систему страхования. Важнейшим инструментом реализации экономического и нормативного управления надежностью должна послужить система договорных отношений. Поставщики и потребители строят свои отношения на договорной основе. Оценка затрат позволяет обосновать отпускную стоимость электроэнергии при установленном в договоре уровне надежности, а оценка ущерба – точку отсчета для определения размера штрафа. Правильно установленный уровень надежности минимизирует убытки, как поставщика, так и потребителя электроэнергии [2].

– Механическая прочность ВЛ увеличивается за счет применения высокотехнологичного оборудования, способного противостоять гололёдно-ветровым ситуациям: многогранных металлических опор; специальных проводов и молниезащитных тросов, неподверженных обледенению (провод марки Aero-z), высокотемпературных проводов (GTACSR, TACSR ACS и другие), муфт Кюри, внутрифазовых распорок (демпферов), междуфазовых изолирующих распорок, полимерных кремнийорганических изоляторов, специальных конструкций линейной арматуры повышенной износостойкости, кольцевой защиты из полимерных материалов и т.п.

Применение средств ограничения колебаний проводов (ограничители вибрации проводов и грозозащитных тросов типа эксцентричных грузов и грузов маятникового типа и т.п.).

Отказ от грозотросов (установка ограничителей перенапряжений или длинноискровых разрядников).

– Уменьшение вдвое длины пролетов путем подстановки дополнительных опор на участках ВЛ подверженным большим гололёдно-ветровым нагрузкам.

Усовершенствование эксплуатации ВЛ:

– в период эксплуатации может частично применяться плавка гололёда, как дополнительное средство повышения надежности работы ВЛ;

– внедрение в электрических сетях автоматизированной информационной системы наблюдения за гололедом (оснащение линий мониторингами, работающими в режиме реального времени; применение термодинамического способа мониторинга) [9, 8];

– своевременного выполнения режимных мероприятий, позволяющих поддерживать температуру проводов на уровне, не допускающим налипание гололеда;

– совершенствование схем плавки гололеда.

Данная концепция предлагается в качестве основной в переходный период Российской экономики.

Разработка вариантов развития ВЛ

По предложенной концепции разработано четыре варианта развития воздушных линий электропередачи, напряжением 110 кВ.

1 вариант. Подвеска провода марки Aero-Z 301-2Z на железобетонные опоры типа ПБ 110-5 ЖБ.

2 вариант. Провод марки GTACSR 240/40 (провод с зазором), железобетонные опоры типа ПБ 110-5 ЖБ. В период гололедообразования предусматривается увеличение токовой нагрузки за счет схемных мероприятий.

3 вариант. Провод марки TACSR ACS 240/40, металлические решетчатые опоры типа П-110-5 МР и уменьшение промежуточного пролета на 30 %.

4 вариант. Провод марки АС 240/39, металлические многогранные опоры типа ПС35/110ПУ-9, промежуточный пролет между опорами уменьшен в два раза.

Период повторяемости принят Т = 35 лет.

Построены зависимости полных тяжений в проводах при гололедно-ветровой нагрузке (рисунок).