Анализ целесообразности применения существующих методических подходов проектирования к воздушным линиям нового поколения

Единая электроэнергетическая система (ЕЭС) России остро нуждается в применении новых энергоэффективных технологий и высоконадежного оборудования. Об этом свидетельствуют как морально и физически устаревшие фонды ЕЭС, так и современные рыночные условия функционирования электроэнергетики. В соответствии с [1, 2] одним из главных векторов развития отрасли является переход на путь инновационных и энергоэффективных технологий, использование научного и инновационного потенциала электросетевого комплекса. Традиционные технические решения, основанные на общепринятых методиках проектирования, не позволят осуществить такой переход и в полной мере получить ожидаемые качественные и количественные эффекты поставленных стратегических задач.

Технологической и идеологической основой модернизации и развития как электроэнергетики во всём мире, так и ЕЭС России, определена интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС), при создании которой особая роль отводится электрической сети [3].

Современные тенденции в области электроэнергетики показывают рост требований к надежности, экономичности, экологичности и эффек- тивности работы электросетевых объектов, и в первую очередь воздушных линий электропередачи (ВЛЭП). Для удовлетворения перечисленных требований в качестве основного решения предлагается внедрение воздушных линий (ВЛ) нового поколения.

Под ВЛ нового поколения подразумеваются воздушные трехфазные одноцепные и многоцепные линии электропередачи, созданные с использованием принципиально новых технических решений в части их схемно-конструктивного исполнения, компоновки средствами управления и применением нетрадиционных способов регулирования параметров режимов [4]. Всё это позволяет говорить о том, что появились совершенно новые принципы формирования и функционирования систем передачи и распределения электроэнергии, требующие изучения.

Постановка задачи

Переход электросетевого комплекса на инновационный путь развития вызывает необходимость оценить готовность нормативно-правовой базы к такому переходу и заставляет заново переосмыслить традиционные методические подходы к проектированию новых объектов. Эти методики в большинстве своём были разработаны несколько десятилетий назад при плановой экономике и ос- нованы на ряде допущений, которые на сегодняшний день могут привести к снижению эффективности.

Целью статьи является исследование влияния инновационных элементов ВЛЭП на результат проектирования, основанный на общепринятой методической и нормативной базе.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– рассмотреть особенности инновационных элементов ВЛ нового поколения, влияющие на результат проектирования;

– провести анализ основных применяемых методических подходов к проектированию ВЛЭП и основных документов, составляющих нормативно-правовую базу, регламентирующую их проектирование;

– провести исследование возможности и целесообразности применения традиционных методических подходов к проектированию ВЛ нового поколения.

Особенности инновационных элементов

ВЛ нового поколения, влияющие на результат проектирования

Общая задача проектирования электросетевых объектов сводится к выбору рациональных решений и их наилучших параметров с последующим выбором наиболее эффективного. Одной из самых важных исходных данных является величина передаваемой мощности, которая определяет конструкцию проводов и линии в целом. Как правило при сетевом строительстве конструкции ВЛЭП позволяли обеспечить пропускную способность, близкую к минимальной, с целью обеспечения экономии металла и капиталовложений. Возникшие ограничения пропускной способности не могли не сказаться на надежности электроснабжения и ведении режимов. В рыночных условиях наличие свободной располагаемой мощности становится ещё более значимым.

Основываясь на вышесказанном, на результат проектирования ВЛЭП непосредственное влияние окажет выбор: марки провода и его экономически целесообразного сечения – для обеспечения необходимой пропускной способности; конструкции опор – для обеспечения механической прочности; изоляции, а также средств грозозащиты – для обеспечения надежной работы и защиты объекта. Следовательно, необходимо рассмотреть особенности инновационных элементов ВЛЭП, влияющие на результат проектирования.

При создании ВЛ нового поколения важная роль отводится проводам, номенклатура которых уже достигла нескольких десятков наименований и в дальнейшем будет только расширяться. Разные сечения как традиционных (сталеалюминиевых), так и инновационных проводников определяют пропускную способность провода, его вес на еди- ницу длины, прочность конструкций, расход металла, размер капиталовложений и последующих издержек.

Уже неоднократно была доказана техникоэкономическая целесообразность применения современных проводов, которые позволяют существенно повысить пропускную способность линий, снизить потери электроэнергии и обладают улучшенными физико-техническими характеристиками [5–8], что в результате окажет влияние на эффективность функционирования рынков энергии и мощности и качество управления режимами.

Например, коэффициент теплового расширения высокотемпературного провода ниже, чем у провода АС, что обеспечивает меньшее провисание. Данный факт представляет непосредственный интерес для сетевых компаний, которые должны следить за соблюдением габарита между землей и фазными проводами ВЛ. Хорошо известно, что при протекании электрического тока металл нагревается и расширяется. Как следствие, наблюдается провисание провода. Поскольку расстояние от провода до земли нормируется, то имеет место ограничение в плане тепловых характеристик линии и соответственно ее пропускной способности. Стрела провеса провода нового поколения будет меньше по сравнению со сталеалюминиевым проводом. Это позволит решить проблему обеспечения габаритов линий электропередачи при больших переходах (реки, преграды, ущелья и др.), к тому же разрывное усилие инновационных проводов больше, чем у провода АС, значит, механическая прочность – выше. В результате при расстановке опор на продольном профиле будет наблюдаться снижение количества пролётов, что позволит уменьшить количество опор, изоляторов и других элементов по сравнению с традиционным исполнением ВЛ.

При проектировании важным фактором, влияющим на конечное принятие решения, являются конкретные климатические условия объекта проектирования. Так, при неблагоприятных климатических условиях (например, интенсивное го-лолёдообразование, налипание снега) механические характеристики проводов нового поколения могут стать решающим обстоятельством их применения. Ярким подтверждающим примером является применение провода AERO-Z, несмотря на стоимость, превосходящую примерно в шесть раз стоимость провода АС [8].

Преимущества применения специальных проводов очевидны. Они позволяют модернизировать электрическую сеть и в некоторых случаях отойти от таких классических подходов, как строительство новых ВЛ, увеличение сечения провода АС, повышение номинального напряжения ВЛ. Согласно [8] для эффективного и динамичного развития электрических сетей России необходимо разработать и утвердить «Методику экономиче- ской оценки целесообразности применения проводов повышенной пропускной способности».

Следующий не менее важный элемент анализа – это опоры. На сегодняшний день, уровень развития техники и технологий, разработка новых изоляционных материалов, существенные изменения конструкции проводов, массовое сетевое строительство показали необходимость и возможность использования новых конструкций опор.

За многие десятилетия сложилась практика применения деревянных (ДО), железобетонных (ЖБО) и металлических решетчатых (МРО) опор традиционных конструкций.

В результате осознанной необходимости и возможности объединения в одной опоре положительных качеств МРО и ЖБО появились многогранные металлические опоры (ММО) [9]. Основные преимущества ММО: надежность, адаптивность, хорошая транспортабельность, долговечность, эстетичность, простота и удобство монтажа. И несмотря на то, что в развитых странах ММО применяются уже давно, в России их начали применять сравнительно недавно.

В 2009 году в России появились композитные опоры (КО). Основа материала опор – стекловолокно. В работах [10–11] раскрыты основные характеристики и преимущества таких опор, в том числе их малый вес и высокие диэлектрические свойства. Не стоит забывать и о появившихся изолирующих траверсах, выполненных из композитных материалов, обеспечивающих высокие диэлектрические свойства.

Но исследования ведутся не только по пути разработки новых конструкций, но и улучшения уже существующих традиционных [12–13].

В качестве примера приведём в табл. 1 краткую характеристику улучшенных и обычных промежуточных опор ВЛ 10 кВ: деревянных пропитанных опор (ДПО), традиционных ЖБО, новых ММО и КО.

Необходимо отметить, что новые типы опор в отличие от традиционных не всегда унифицированы, что существенно скажется на выборе экономически целесообразного сечения ВЛ. Например, разные производители композитных опор используют различные способы их намотки и модифицируют состав самого композитного материала, получая продукт, отличающийся по своим свойствам и стоимости от конкурентов. При плановой экономике главным критерием оптимизации конструк- тивного исполнения опор являлся только минимум расхода материала. Но политика унификации прошлых лет в результате электросетевого строительства привела к значительному перерасходу материалов, хотя и имела определённые преимущества. При большом разнообразии климатических и географических условий существующая унификация конструктивных решений не сможет удовлетворить в современных условиях требования инвесторов, ведь она не позволяет использование инноваций и улучшения конструкций.

Кроме этого, интенсивное развитие городов, рост спроса на электрическую энергию и ужесточение территориальных и иных ограничений в совокупности породили тенденцию применения многоцепных и комбинированных ВЛ с различным взаимным расположением проводов и опор нестандартной компоновки. Большая часть ВЛ в СССР и Российской Федерации сооружалась и сооружается на традиционных одно- и двухцепных опорах. Первоначально расположение проводов для одноцепных опор было горизонтальным, а потом – треугольником. Для двухцепных опор основной принцип расположения проводов, несмотря на формы вариации, являлся постоянным и состоял в симметричности относительно оси опоры. Но в результате индивидуального проектирования стали чаще появляться как многоцепные опоры, так и одно- и двухцепные опоры нестандартной компоновки — «вертикаль», все провода друг над другом. Если говорить о разнице между понятиями «многоцепная» и «комбинированная» ВЛ, то в первом случае подразумевается, что более двух комплектов фазных электрических проводов имеют одно номинальное напряжение, а во втором – разное [14].

Существовавшие подходы к организации изоляции во время унификации конструкций опор исключали возможность сближения проводов соседних фаз для любого класса номинального напряжения. Но сейчас изолирующие распорки позволяют выполнить установленные требования.

Изменение конструктивного исполнения опор уже нашло широкое применение во всём мире и в дальнейшем будет только набирать обороты.

В части улучшения качества изоляции в настоящее время получено множество решений, таких как:

– изоляторы, которые могут быть использованы в областях с высокой грозовой активностью

Таблица 1

Краткая характеристика промежуточных опор ВЛ 10 кВ

Опора	ДПО	ЖБО	ММО	КО
Высота опоры, м	11	11	11	11,4
Масса в сборе, т	0,350	1,130	0,300	0,205
Расчётный изгибающий момент, кН·м	70	50	60	100
Долговечность, лет	40	25	50	60
Стоимость, тыс. руб.	4,300	10,230	30,810	45,247

Таблица 2

Конструктивные изменения элементов ВЛ

Элемент	Изменения по сравнению с традиционным исполнением	Изменившиеся параметры ВЛ
Опоры	1.    Увеличилось разнообразие видов конструкции (многогранные и композитные опоры). 2.    Появились различные вариации многоцепных конструкций. 3.    Применяется различное взаимное расположение проводов.	Габарит ВЛ, отвод земли, тип и размер опор, стрела провеса, длина пролета, механическая прочность, пропускная способность, сечение провода, показатели грозоупорности, импульсная прочность линейной изоляции, тросовая защита, стоимость
Провода	Увеличилось разнообразие новых конструкций за счёт: – использования современных материалов повышенной прочности и проводимости, обладающих стойкостью к повышенным нагрузкам; – изменения формы токопроводящих проволок
Средства грозозащиты	1.    Совмещение оптоволокна и грозотроса. 2.    Применение ОПН
Изолирующая подвеска	1.    Изменение формы изоляторов. 2.    Применение современных изолирующих материалов. 3.    Сочетание различных изолирующих материалов

(пример: ШС 10Е(Д) – инновационная двукрылая форма);

– сочетание материалов при производстве изоляторов (примеры: силиконовое покрытие стеклянных изоляторов для увеличения гидрофобности; сочетание стекла с полимерными материалами для улучшения характеристик без существенного удорожания продукта);

– применение современных изолирующих материалов и др.

Более того, важно понимать, что применение композитных опор уже само по себе меняет изоляционные свойства линии электропередачи.

Новые технические решения в части схемноконструктивного исполнения ВЛЭП окажут непосредственное влияние на её эксплуатационные характеристики, ведь их определяют элементы, входящие в её состав. Обобщим в табл. 2 изменения, которые претерпели элементы ВЛ нового поколения по сравнению с традиционным исполнением, а также основные параметры ВЛ, подвергшиеся изменению.

Таким образом, ВЛ нового поколения значительно отличается от ВЛ традиционного исполнения, о чём говорит большой ряд изменившихся параметров. Улучшение технических, экологических, эстетических, режимных параметров и снижение издержек граничит с увеличением капиталовложений. Следовательно, необходим новый комплексный подход к технико-экономическому обоснованию ВЛ нового поколения и её элементов в проектной документации.

Нормативно-правовая базапроектирования ВЛ

При новом строительстве и модернизации каждой ВЛ составляется детальный проект, в котором учитывается большое количество параметров и характеристик, начиная от трассы ВЛ и заканчивая затратами на реализацию проекта. В любом проекте можно увидеть следующие формулировки: «Все технические решения приняты и разработаны в полном соответствии с действующими на дату выпуска проекта Нормами и Правилами», «Раздел проекта разработан согласно и с учетом требований действующих нормативов» или похожие им по смыслу.

Проектирование ВЛЭП – процесс сложный и многоэтапный. Каждый элемент играет очень важную роль, а неверно принятое решение может не только не дать ожидаемые эффекты, но нанести ущерб. В совокупности это объясняет необходимость регламентирования процесса проектирования на каждом его этапе. К основным нормативам и стандартам при подготовке проектов относятся ГОСТы, СНиПы и ПУЭ. Рассмотрим подробнее «ядро» нормативно-правовой базы, регламентирующей проектирование, и оценим, насколько учтены особенности ВЛ нового поколения в нём.

В самом начале любого проекта обязательно просчитывается отвод земли для его реализации. В [15] конкретные размеры земельных участков или их частей, изымаемых во временное и постоянное пользование, в проектной документации берутся из [16], где соответствующие площади и полосы рассчитаны для опор традиционных конструкций. Для других вариантов расчёт приходится выполнять собственноручно.

Основополагающим нормативным документом отрасли является [17], утвержденный приказом Минэнерго России от 20.05.2003 № 187. Требования [17] обязательны для всех организаций, поэтому именно на них в первую очередь опирается инженер. Важной особенностью этого документа является то, что он подвергается пересмотру и текущая редакция – уже седьмая по счёту. Но тут же возникает вопрос: насколько актуальной является представленная в нём информация? Рассмотрим несколько глав, относящихся к ВЛ: «Воздушные линии электропередачи напряжением свыше 1 кВ» (глава 2.5) и «Изоляция ВЛ» (глава 1.9).

Все элементы ВЛ должны соответствовать главе 2.5 [17], но в ней не предусмотрены инновационные элементы ВЛ нового поколения. Так, например, минимально допустимые сечения проводов по условиям механической прочности, допустимое механическое напряжение в проводах и тросах ВЛ напряжением выше 1 кВ и физико-механические характеристики даны для проводов сталеалюминиевых, стальных, алюминиевых и из не-термообработанного и термообработанного алюминиевого сплава. В свою очередь минимальные диаметры проводов ВЛ по условиям короны и радиопомех даны лишь для провода АС. Провод АС выбирается согласно [17] по методу экономической плотности тока, который справедлив лишь для одноцепных ВЛ. В разделе «Защита от перенапряжений, заземление» главы 2.5. не представлены требования относительно композитных опор.

В разделе «Изоляция ВЛ» [17] регламентируется принимать значения различных показателей (удельная эффективная длина пути утечки, количество изоляторов, изоляционные расстояния) на основе данных, определенных для традиционных металлических и железобетонных опор.

В итоге, появившиеся в России только в 2009 году композитные опоры, инновационные проводники и связанные с ними технические особенности не отражены в действующей редакции [17], которая была введена в действие 01.01.2003.

Следует отметить, что 01.06.2018 впервые введены в действие два ГОСТа, распространяющиеся на композитные опоры напряжением 6–20 кВ [18] и 35–220 кВ [19]. Этот шаг является отражением статьи 26 [20], но он не является полным. Эти ГОСТы не представляют все классы напряжения, на которые разработаны композитные опоры в России (0,4 кВ). [19] не включает в себя анкерные, анкерно-угловые и ответвительные композитные опоры на классы напряжения 35–220 кВ.

Дополнительно хотелось бы отметить проблему определения сметной стоимости проектов ВЛ нового поколения. Приказ Минэнерго России от 17.01.2019 г. № 10 [21] определяет базовые нормативы и финансовую потребность в отношении типовых технологических решений, в том числе ВЛ 0,4–750 кВ. При определении сметной стоимости ВЛ 0,4–750 кВ в таблицах, определяющих норматив цены для отдельных элементов (в части опор), укрупнённый норматив цены (УНЦ) выделен только для многогранных опор. Для остальных опор предусмотрена формулировка «все типы опор, за исключением многогранных». И здесь возникает вопрос: неужели композитные опоры объединены с традиционными или же про- сто не учтены? С таким подходом определение сметной стоимости ВЛ с композитными материалами становится невозможным и возникает риск исключения инновационного элемента на стадии согласования инвестиционных программ сетевых компаний в Минэнерго России по причине превышения УНЦ проекта.

Таким образом, на любом этапе проектирования возникают сложности нормативно-правовой обоснованности ВЛ нового поколения. Происходящие изменения, обусловленные особенностями новых технических решений, по большей части не нашли отражение в нормативно-правовой базе.

Как же тогда справляются организации отрасли? Электросетевые компании пересматривают положения о технической политике и вносят поправки, а также выпускают собственные стандарты (СТО). Так, в подразделе «Методические подходы при проектировании» раздела «Воздушные линии электропередачи» [22] наметился вектор использования современных разработок (композитных опор, изолирующих траверс и др.), но при соответствующем технико-экономическом обосновании или только в местности, характеризующейся неблагоприятными климатическими условиями, с целью снижения ущерба от массовых повреждений. Вот только другая организация уже не сможет опираться на подобный документ и будет вынуждена разрабатывать свой. Ярким примером СТО является стандарт ПАО «ФСК ЕЭС» [23], устанавливающий нормы технологического проектирования ВЛЭП напряжением 35–750 кВ. В [23] указывается, что при проектировании ВЛ должно быть обеспечено внедрение прогрессивных проектных решений и возможно применение индивидуальных конструкций, но нормативно опирается на требующие актуализации документы.

Так называемое индивидуальное проектирование становится более востребованным, а инновационные технические решения внедряются всё чаще. Утвержденные отдельные документы и стандарты организаций могут действовать внутри организации, которая их утвердила, но возникает вопрос насколько правомочно их использование другими.

В итоге, проблема отставания нормативноправовой базы от современных тенденций развития электросетевого комплекса налицо. Особенности ВЛ нового поколения учтены не полностью в нормативно-правовых документах федерального уровня, хотя и предпринимаются определённые шаги в этом направлении.

Методические подходык проектированию ВЛЭП

Рассмотрим, с чем придётся столкнуться инженеру при разработке и экспертизе проектной документации в части методических подходов к проектированию ВЛ нового поколения.

Таблица 3

Характеристика методических подходов к проектированию ВЛ

Элемент	Методические подходы к проектированию		Вывод
	СССР	В настоящее время
Провод	1.    Коэффициент дефицитности металла. 2.    Метод экономической плотности тока. 3.    Метод экономических токовых интервалов	1.    Метод экономической плотности тока 2.    Метод экономических токовых интервалов	На сегодняшний день не существует обоснованной методики выбора сечений проводников ЛЭП по нормируемым обобщенным показателям
Опора	1.    Экономия материалов. 2.    Унификация конструкций. 3.    Строительные нормы и правила, введенные в 1963 г.	Стандарты предприятия позволяют применять как унифицированные, так и новые конструкции	Отсутствует единый подход на уровне отрасли, зачастую в проектах даже не рассматривается применение новых опор
Грозотрос	Методические указания, разработанные в СССР в 1976 г.	Стандарты предприятий [28, 29]	Актуален вопрос о необходимости пересмотра и переработки действующих норм
Изоляция	1.    Опыт эксплуатации ВЛ. 2.    Применение стеклянных и фарфоровых изоляторов	Инструкция [30] и стандарты организаций

В [24, 25] авторами проведён анализ методов выбора сечений проводников и на конкретном примере доказано, что ни метод экономической плотности тока (ЭПТ), ни метод экономических токовых интервалов (ЭТИ) выбрать сечение инновационного проводника не позволяет. Даже пересчёт существующих значений экономической плотности тока и экономических токовых интервалов не позволит решить проблему. Но метод ЭПТ закреплен в [17], и СТО [23] тоже ссылается именно на него. Однако этот метод имеет множество допущений и недостатков, а также был просчитан в 50-х годах ХХ века. Получается, что, несмотря на все современные тенденции, для выбора сечений провода методически следует пользоваться устаревшей ЭПТ. Метод ЭТИ нормативно не закреплён, хоть и имеет преимущества перед ЭПТ и приводится в технической литературе, например, в [26]. Можно сказать, что обоснованной методики выбора сечений проводов просто нет. Применение устаревших методов будет некорректным даже к традиционным проводам, а к проводам нового поколения и вовсе ошибочным.

Говоря о системе молниезащиты, ряд нормативных документов, используемых в настоящее время, был выпущен более 15 лет назад, а некоторые документы – более 20 лет. Переизданные нормы, как правило, не отличаются в принципиальных подходах от ранее изданных. В связи с этим до сих пор актуален вопрос о необходимости пересмотра и переработки действующих норм.

Методика расчёта удельной грозоупорности ВЛЭП изложена в [27]. В [27] предлагается оценивать удельное число грозовых отключений, учитывая лишь усредненные показатели ВЛЭП, такие как сопротивление заземления опор, тип опор, а также суммарная длина линии. Учёт индивидуальных параметров опор и пролётов, различие между которыми может достигать значительных значений, не предусмотрен. А с учётом инновационных элементов ВЛЭП и изменением её характеристик эта проблема становится лишь острее.

Представим в табл. 3 характеристику методических подходов к проектированию ВЛ в части выбора проводника и его сечения, опоры, а также грозотроса и изоляции.

Таким образом, единого методического подхода, а тем более документа для проектирования ВЛ нет. Отдельные стандарты организаций вроде и позволяют при соответствующем технико-коммерческом обосновании применение инновационных элементов ВЛ, но не учитывают все правовые и современные особенности.

Заключение

Приведенный анализ показал, что Россия значительно отстаёт от развитых стран на технологическом уровне, а отечественный инженер и проектировщик не обладают соответствующим инструментарием для внедрения ИЭС ААС. Все эксплуатационные параметры ВЛ оцениваются по устаревшим методикам.

Анализ состояния проблемы исследования позволяет сделать следующие выводы.

• 1.    Соответствовать современным требованиям на старой технической и технологической базе становится труднее, а в некоторых случаях – невозможно.

• 2.    При проектировании ВЛЭП необходимо обоснованно внедрять прогрессивные технические решения, современные материалы и технологии, направленные на улучшение её эксплуатационных

• 3.    Наблюдается постепенный переход к индивидуальному проектированию электросетевых объектов и отход от применения унифицированных конструкций, что обосновывает пересмотр методической и нормативной базы, применяемой при проектировании.

• 4.    Требования нормативных документов не гармонизированы с технологическими изменениями, происходящими в отрасли, или успели устареть, а следовательно, требования нормативных документов в ряде случаев не отвечают применяемым в настоящее время техническим решениям, современным технологиям и принципам.

• 5.    Наблюдается отставание в методических подходах под инновационное проектирование, в частности, остро необходима разработка современных методических подходов к проектированию ВЛЭП.

характеристик. Необходим комплексный подход к технико-экономическому обоснованию предлагаемых решений в проектной документации.

Важно учитывать, что модернизация сетевого комплекса является сложным и многофакторным процессом, основой которого должно стать согласованное и комплексное применение инновационных технологий наряду с традиционными решениями. Только такой подход с учётом реальных технико-экономических, экологических, режимных и климатических условий позволит достичь максимальных положительных как технических, так и экономических эффектов.