Определение тока профилактического подогрева грозозащитного троса с встроенным оптическим кабелем на ВЛ 110-220 кВ для предотвращения образования гололёдно-изморозевых отложений

Том 5(1). С. 05–12

Изменения климата в мире, происходящие в последнее время, расширяют список регионов Российской Федерации, для которых необходимость предотвращения голо-лёдно-изморозевых отложений (далее ГИО) на проводах и грозозащитных тросах ВЛ 110-220 кВ становится основной проблемой для сетевых компаний в осенне-зимний период. Отмечается рост количества ГИО на 38%, которые явились причиной технологических нарушений в электрических сетях напряжением 110-220 кВ, доля кото рых составила 47% от общего числа нарушений¹.

Образованию ГИО на проводах и грозозащитных тросах наиболее подвержены ВЛ 110-220 кВ ряда регионов Российской Федерации: Приморский край, Северный Кавказ, Северо-Запад, Поволжье2. Во многих случаях ГИО образуется на ограниченном участке ВЛ, который в горных условиях может составлять всего несколько пролетов [1-3]. Образование ГИО приводит к увеличению механических нагрузок, которые представляют опасность для обрыва грозозащитного троса и последующему аварийному отключению ВЛ 110-220 кВ. Поэтому поиск технических решений проблемы предотвращения развития ГИО на грозозащитных тросах ВЛ 110-220 кВ является актуальным.

Материалы и методы

Гололёдно-изморозевые отложения включают различные виды обледенения, приведенные в таблице 1 [4]: гололёд образуется преимущественно (70%) при температуре от 0 до –2°С; при таких же температурах наиболее часто (78%) наблюдается отложение мокрого снега; зернистая изморозь почти в равном числе случаев (примерно по 40%) образуется при температуре воздуха от 0 до –4°С и от –4 до –8°С; кристаллическая изморозь чаще всего (45%) отмечается при температуре от –12 до -16°С; сложное отложение в 72% случаев - при температуре от 0 до -4°С. Температурный диапазон для образования гололеда и мокрого снега строго ограничен, однако указанные виды обледенения образуются чаще других видов, могут продолжительно сохраняться на проводах и грозозащитных тросах ВЛ 110-220 кВ и являются наиболее опасными [5, 6].

Таблица 1

Метеорологические условия гололедообразования

Атмосферные явления	Вид обледенения	Температура воздуха, °С	Скорости ветра, м/с
			средняя	максимальная
Морось, дождь, туман	гололёд	0…-4	0-15	40
Мокрый налипающий снег	мокрый снег	+1…-2	0-10	20-30
Туман, морось	зернистая изморозь	-3…-20	0-15	40
Туман, дымка	кристаллическая изморозь	-5…-30	0-3	5-7
Морось, дождь, туман, мокрый снег	сложное отложение	0…-20	1-15	30-40

Расчетную температуру воздуха при ГИО в высокогорных районах (с отметками выше 1000 м), а также на территории, лежащей к востоку от Енисея (за исключением береговой полосы океанов и морей) и к северу от 60-й параллели, рекомендуется принимать равной –10°С, для всей остальной территории России –5°С и считать её расчетной температурой не только для времени образования ГИО, но и для всего времени его существования [1, 7].

Применяемые на практике схемы плавки гололёда на грозозащитных тросах ВЛ основаны на использовании специального источника электроэнергии и имеют технические ограничения3. Грозозащитные тросы ВЛ 110-220 кВ изолированы от земли и имеют класс изоляции более низкий, чем провода ВЛ. Поэтому при подключении источника электроэнергии к грозозащитному тросу ВЛ приходится ограничивать длину участков плавки, так как повышение напряжения источника электроэнергии требует усиления изоляции грозозащитного троса, вызывающего необходимость увеличения пробивных напряжений искровых промежутков, защищающих эту изоляцию.

Большинство ВЛ 110-220 кВ оснащены грозозащитным тросом с встроенным оптическим кабелем (далее ГЗТ-ОК), предназначенным для защиты ВЛ от прямых ударов молнии, а также выполняющим функцию волоконно-оптической линии связи. ГЗТ-ОК располагается над проводами фаз и имеет изолированное крепление на

2       СТО 56947007 - 29.240.01.189-2014. Методические указания по применению альбомов карт климатического районирования территории по субъектам РФ. ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС». Приказ ОАО «ФСК ЕЭС» от 03.10.2014 № 444. 95 с.

каждой опоре ВЛ. В эксплуатации ВЛ 110-220 кВ на ГЗТ-ОК возможно возникновение следующих аварийных ситуаций: механический обрыв ГЗТ-ОК, который может произойти под тяжестью ГИО и действием ветра; перегрев ГЗТ-ОК как при прохождении тока короткого замыкания [8], так и во время плавки ГИО выше допустимой температуры +80ºС...+85ºС, приводящей к повреждению оптического кабеля. Как показывает опыт эксплуатации⁴, чтобы успешно провести плавку гололёда с высокой плотностью 0,9 г/см 3 за время 40-60 минут, не превышая допустимое значение температуры нагрева участков ГЗТ-ОК без гололеда, необходимо плавить гололёд при толщине стенки гололёдной муфты не более 10 мм. Также в случае плавки гололёда переменным током возможно локальное разрушение (обрыв) ГЗТ-ОК в результате термического воздействия тока плавки, величина которого превышает максимально допустимое значение тока плавки. Причиной такого превышения может служить замыкание ГЗТ-ОК на землю в случае разрушения изолированного крепления ГЗТ-ОК, а также вследствие нарушений при строительстве или ремонтах ГЗТ-ОК.

Альтернативой плавке ГИО является профилактический подогрев ГЗТ-ОК до температуры +(1-2)°С, при которой ГИО не образуются на его поверхности [7, 9]. В работах [10-13] приведен обзор индукционных способов подогрева участка грозозащитного троса ВЛ 110-500 кВ. В работе [13] рассмотрена математическая модель для оценки величины тока, индуктированного (наведённого) в контуре «грозозащитный трос – дополнительный проводник» магнитным полями токов двухцепной ВЛ 220 кВ в рабочем режиме. Для повышения величины наведённого тока в цепь замкнутого контура «грозозащитный трос - дополнительный проводник» включается конденсаторная установка, величина емкости которой определяется из условия создания резонанса напряжения.

Для определения величины тока профилактического подогрева ГЗТ-ОК используется математическая модель, в основе которой используется уравнение теплового баланса проводника ВЛ в установившемся режиме. В математической модели проводник (в рассматриваемом случае это грозозащитный трос с встроенным оптическим кабелем) конструктивно представлен упрощенно в виде полнотелого прямолинейного цилиндра [14].

Уравнение теплового баланса грозозащитного троса с встроенным оптическим кабелем ВЛ в установившемся режиме без ГИО имеет вид5:

I _доп R T + Q_сол= onde (T _н ⁴ - Т в ⁴) + X _в nNu (T _н - Т _в);                   (1)

Левая часть уравнения (1) представляет собой активную мощность, выделяемую в ГЗТ-ОК (без процесса образования ГИО) вследствие нагрева электрическим током, правая - потери мощности на теплоотдачу в окружающую среду, где первое слагаемое определяет мощность излучения с поверхности ГЗТ-ОК, а второе – мощность конвективного теплообмена.

В уравнении (1) приняты следующие обозначения:

I _доп - допустимое значение тока, А;

R T - электрическое сопротивление ГЗТ-ОК при температуре Т_доп , Ом/км;

T _н - температура нагрева ГЗТ-ОК, К;

Сопротивление R T при температуре t _н , отличной от номинальной (+20°С), рассчитывается с учетом температурного коэффициента электрического сопротивления α по выражению:

R t = R t20 [1 + а (1 н - 20)];                                    (2)

где:

R T20 - сопротивление ГЗТ-ОК постоянному току при температуре +20°С, Ом/км;

а - температурный коэффициент электрического сопротивления, °С^-1 .

Q_сол – нагрев ГЗТ-ОК от солнечного излучения, Вт/м; (в период образования ГИО характерно полное отсутствие солнечного излучения, поэтому величиной Q_сол пренебрегают);

4        СТО 56947007-29.060.50.122-2012. Руководство по расчету режимов плавки гололеда на грозозащитном тросе со встроенным оптическим кабелем (ОКГТ) и применению распределенного контроля температуры ОКГТ в режиме плавки. Москва, 2012. – 119 с.

5       МЭК 61597, 1995-05. Провода электрические для воздушных линий электропередач. Методы расчета для скрученных голых проводов.

о = 5,67-10^-8 Вт/(м²^К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана;

d – диаметр ГЗТ-ОК, м;

г - коэффициент излучения поверхности ГЗТ-ОК по отношению к абсолютно черному телу; (значение коэффициента излучения принимается в диапазоне от 0,2 до 0,9 в зависимости от цвета оксида алюминия на поверхности ГЗТ-ОК);

t _В – температура воздуха, °С;

T _В – температура воздуха, К;

Nu, Re – числа Нуссельта и Рейнольдса, определяемые по выражениям [14]:

Nu = 0,65 Re ⁰ - ² + 0,23 Re ⁰ - ⁶¹;

Re = 1,644 • 10 9 vd [( T _в + 0,5 ( T _н - T _в )] - ¹⁷;                    (3)

где:

v – скорость ветра, м/с;

λ _в – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·К);

Расчетные значения коэффициента теплопроводности воздуха λ _в определяются в зависимости от температуры воздуха t _В в зоне расположения ВЛ 110-220 кВ [15]:

X в = 2,424 • 10 ² + 7,477 • 10 5 t _в - 4,407 • 10 9 1 _в ²;                        (4)

В режиме профилактического подогрева ГЗТ-ОК до температуры T _н равной +(1-2)°С, при которой ГИО не образуются на его поверхности, уравнение теплового баланса описывается выражением [7]:

I по R T =onde (Т _н⁴- Т _в ⁴ ) + X в nNu (Т_н- Т в ) + c вд m (Т_н-Т в );                    (5)

В этом уравнении последнее слагаемое учитывает часть активной мощности, расходуемой на нагрев частиц переохлажденной воды с удельной теплоемкостью c _вд = 4,18 Вт∙с/(г∙°С) и температурой Т _в , оседающей на поверхности ГЗТ-ОК длиной 1 метр со скоростью m^' , г/(м·с), определяемой по выражению [7]:

m = G_л / (24 • 60 • 60) = 715 / 86,4 • 10³ = 8,28 • 10^-3 г / (м-с);               (6)

где:

G_л =715 г/м, масса гололёдной муфты, которая образуется в течение 24 часов на поверхности ГЗТ-ОК длиной 1 метр, с толщиной стенки 10 мм.

Необходимая величина наведённого тока I _по для профилактического подогрева участка грозозащитного троса с встроенным оптическим кабелем на ВЛ 110-220 кВ определяется по выражению:

I по = [ ( onde (T - T b ⁴ ) + X в nNu (Т н - Т) + c вд m (Т н - Т , )) / R t Г⁵ ;             (7)