Диагностика состояния подземной системы опор ВЛ 220-500 кВ

Строительство опор с оттяжками на линиях электропередачи 220−500 кВ началось в первой половине 60-х годов, что связано с периодом бурного развития электрификации. Привлекательность использования таких опор по сравнению со свободно стоящими опорами объясняется их исключительной экономичностью, что важно при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Однако, несмотря на нормативное требование к воздушным линиям служить не менее 50 лет, уже к концу 80-х годов появились первые случаи падения опор с оттяжками, показавшие, что подземная система таких опор поддается коррозии значительно быстрее, чем предполагалось ранее.

В декабре 1986 года упала опора № 244 на BJI 500 кВ «Ермак — Экибастуз», (срок службы 24 года) [1], в апреле 1990 года упала опора № 61 на BJI 500 кВ «Ермак — Омск», (срок службы 18 лет) [2].

В 1995 году произошло выдергивание из земли оттяжки с U-образным болтом на опоре № 47 BJI 500 кВ «Ириклинская ГРЭС — Джетыгара», (срок службы 26 лет). Падение опоры удалось предотвратить благодаря своевременному и внимательному обходу BJI специалистами Восточных электрических сетей ОАО «ОРЕНБУРГЭНЕРГО», обслуживающими данную ВЛ.

В ночь с 1 на 2 марта 2000 года произошло каскадное падение двух опор № 487 и 488 BJI 500 кВ «Экибастуз — Караганда», (срок службы 22 года), находящейся под управлением компании ОАО «KEGOC». При этом практически без энергоснабжения осталась вся Карагандинская область. Потеря для системы такого мощного потребителя вызвала запредельное повышение частоты в сети, чуть не вызвав при этом большую системную аварию.

8 марта 2002 года произошло падение опоры № 67 на BJI 500 кВ «Саратовская ГЭС — Курдюм», (срок службы около 30 лет), обслуживаемой предприятиями МЭС Волги ОАО «ФСК ЕЭС».

Аварийность опор с оттяжками от подземной коррозии присуща воздушным линиям не только в России или Казахстане, но и расположенным в Финляндии, США, Мексике и других странах [3, 4, 5].

Почти все указанные случаи падений опор происходили при аномальных климатических условиях и, не смотря на различное географическое месторасположение воздушных линий, были вызваны однотипной причиной — коррозионным разрушением подземных элементов анкерного узла (поз. 4 на рис. В1).

Эти факты указывают, вопервых, на ТО, ЧТО опора может 1 — TP00 оттяжек- 2 — клиновой зажим- 3 — Uобразные болты- 4 — петля анкерной плиты длительное время находиться в аварийном состоянии и удерживаться от падения только силами сцепления U-образного болта с грунтом, создавая при этом потенциальную опасность для окружающих и ремонтного персонала.

Во-вторых, обширная география аварийности опор с оттяжками свидетельствует о том, что причина ускоренной коррозии подземных конструкций кроется не столько в грунтово-климатических условиях, сколько в несовершенстве конструкции самих опор.

Предупреждение аварийных ситуаций, вызванных коррозией элементов подземной системы опор, является актуальной задачей. Особенно это важно для межсистемных электрических сетей, насчитывающих сотни тысяч таких опор по всей территории России и в странах СНГ.

Согласно действующим нормативам с целью предупреждение аварийных ситуаций, вызванных коррозией, один раз в 6 лет должен производится контроль U-образных болтов оттяжек опор со вскрытием грунта. Это.

Рис. В1. Анкерный узел крепления оттяжек опор: профилактическое мероприятие связано с большими материальными затратами, поэтому на практике такому контролю подвергаются только единицы опор, тем более, что принципы выбора опор для вскрытия не определены. Еще реже среди осматриваемых опор попадаются те, которые имеют опасный коррозионный износ U-образных болтов. Это порождает мнение об отсутствии проблемы ускоренной подземной коррозии конструкций опор BJI [6]. По этой же причине Правилами Технической Эксплуатации [7] до сих пор не предусмотрен осмотр петель анкерных плит. Экономически это объясняется существенно более высокой стоимостью таких работ в связи с необходимостью страхования опор во время откопки анкерного узла. Научное же обоснование этой нормы базируется на недостаточно полном представлении о возможном коррозионном влиянии переменных токов на подземную систему опор с оттяжками и преувеличенных антикоррозионных способностях цинкового покрытия в грунтовых условиях. Указанное представление было сформировано исследованиями подземной коррозии применительно к строительным конструкциям и трубопроводному транспорту, имеющим гидроизолирующие покрытия и не всегда подверженным влиянию специфических факторов электрической сети.

В результате роста случаев падения опор BJI из-за подземной коррозии несущих элементов в эксплуатационной практике энергосистем создалась ситуация, в которой огромное количество опор BJI, при отсутствии оперативного резерва, имеет неизвестное коррозионное состояние. Такая ситуация не могла и не может способствовать надежному энергоснабжению потребителей, безопасному обслуживанию электрической сети и обеспечению устойчивой работы единой национальной энергосистемы (ЕНЭС).

В связи с этим остро встала проблема быстрого и качественного выявления в условиях действующей BJI дефектных опор, анкерные конструкции которых имеют оставшееся после коррозии сечение менее 0,9 от сечения, установленного по проекту [8].

Трудность решения этой проблемы заключается в выявлении с поверхности земли коррозионного состояния петель анкерных плит, находящихся на глубине 2 — 3 м. Существующие приборные методы [9, 10, И] пока не могут обеспечить приемлемую для практики достоверность. Основные погрешности приборных методов вызваны либо слишком «идеальным» представлением реальных анкерных конструкций, либо слабой разрешающей способностью заложенного в них принципа измерения [12, 13].

Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются опоры на оттяжках воздушных линий электропередачи напряжением 220−500 кВ;

Предметом исследования являются электромагнитное влияние рабочих токов и напряжений электрической сети и электрохимическое взаимодействие в подземной системе опор BJI, снижающие долговечность ее стальных элементов. Целью исследования является разработка метода диагностики с поверхности земли потери сечения от коррозии подземных анкерных конструкций оттяжек опор BJI.

Используемые в работе методы исследования заключаются в обобщении результатов многолетних натурных обследований заземляющих устройств подстанций и ОРУ станций, подземных трубопроводов энергетического назначения, подземных элементов опор BJI 220−1150 кВ, физическом и математическом моделировании электромагнитных влияний BJI на подземную коррозию, проведении теоретических и экспериментальных исследований, в том числе на действующем оборудовании и в реальных природных условиях.

Для достижения указанной выше цели в работе были поставлены и решены следующие задачи: выполнен анализ методов диагностики коррозионного состояния и факторов, влияющих на долговечность подземных конструкцийразработаны методики экспериментальных и расчетных исследований специфических факторов, влияющих на долговечность опор BJT 220−500 кВпроведены расчетные и экспериментальные исследования влияния наведенных токов в оттяжках опор на коррозию подземных контактных соединений конструкций опорвыполнены экспериментальные исследования влияния твердой фазы грунта на процесс коррозии сталиисследованы изменения основных электрофизических параметров коррозионной системы опор по глубине грунта, вдоль трассы BJI и во времениисследованы электрохимические характеристики искусственных заземлителей, U-образных болтов, анкерных плит и фундаментов, а также их гальваническое взаимодействие в подземной системе опор BJI220 — 500 кВразработана нейросетевая модель оценки коррозии петель анкерных плит и U-образных болтов узла крепления оттяжек опор BJI 220−500 кВ с соответствующим программным обеспечениемвыполнен анализ результатов полевых испытаний метода диагностики коррозионного состояния анкерных конструкций оттяжек опор BJI 220 — 500 кВ и разработаны рекомендации по предотвращению аварийности опор от подземной коррозии.

Решение этих задач состояло из большого комплекса экспериментальных и теоретических исследований, а так же практической их реализации. Большая часть экспериментальных исследований по изучению факторов коррозии и механизма разрушения элементов анкерного узла была проведена автором в рамках научно-производственного предприятия «ЭЛЕКТРОКОРР». Основные теоретические исследования выполнены на базе Новосибирского государственного технического университета и Сибирского НИИ энергетики. Практические расчеты заземляющих устройств опор ВЛ 500 — 1150 кВ велись совместно с фирмой ООО «ЗАЗЕМЛЕНИЕ». Использование результатов исследований в эксплуатационной практике и модернизация дефектных анкерных узлов оттяжек опор действующих ВЛ 500 кВ начаты в Омском предприятии магистральных электрических сетей Сибири (филиала ОАО «ФСК ЕЭС»). Практическое освоение разработанного в диссертации метода для оценки коррозионного состояния анкерных конструкций оттяжек опор старых BJ1 с использованием специальной передвижной лаборатории диагностики проводит ОАО «KEGOC» (Республика Казахстан).

Основная часть диссертационной работы изложена в 5-ти главах.

В 1-й главе подробно анализируются методы диагностики коррозионного состояния подземных конструкций опор с оттяжками и факторы, влияющие на их долговечность. Рассматриваются математические методы расчета коррозии и современные методы интеллектуальной обработки информации. При анализе факторов, влияющих на долговечность подземных конструкций опор BJI, используется классификация автора, наглядно показывающая сложность и многогранность обсуждаемой проблемы. На основании этого анализа формулируются задачи исследования, решаемые в последующих главах настоящей работы.

Во 2-й главе представлены нестандартные методики экспериментальных и расчетных исследований, разработанные автором и применяемые в ходе проведения исследования.

3-я глава целиком посвящена расчетным и экспериментальным исследованиям специфических факторов коррозии. Особое внимание уделено изучению влияния переменных токов на процесс коррозии подземных контактных соединений стальных конструкций опор.

Глава 4 посвящена разработке нейросетевой модели для определения коррозии петель анкерных плит и U-образных болтов узла крепления оттяжек опор BJI, а так же проверке ее достоверности.

В главе 5 анализируются результаты осмотров коррозионного состояния анкерных конструкций оттяжек опор BJI 220 — 500 кВ, выполненные со вскрытием грунта при полевых испытаниях разработанного метода, и даются рекомендации по предотвращению аварийности опор от подземной коррозии.

В настоящее время с помощью разработанного метода продолжается обследование состояния подземных анкерных конструкций оттяжек опор действующих магистральных BJI на территории России и стран СНГ.

Полученная при этом информация послужит основанием для оценки ресурса старых BJ1, а так же для дальнейшего развития нормативной базы по устройству, строительству и обслуживанию опор, разработки новых долговечных конструкций опор с оттяжками и совершенствования магистральных электрических сетей.

В соответствии с поставленными задачами были получены следующие научные результаты:

• раскрыт теоретически и подтвержден экспериментально уровень наведенных и емкостных токов в оттяжках опор действующих BJI220 — 500 кВ;

• экспериментально установлено влияние переменных токов с параметрами и условиями их протекания характерными для реальных конструкций опор BJI 500 кВ на процесс подземной коррозии стали в контактных соединениях.

• теоретически и экспериментально доказан факт существования диапазона значений уровня наведенных в оттяжках токов, удельного электрического сопротивления грунта и стационарного электродного потенциала U-образных болтов, в котором существует возможность ускоренной коррозии анкерных конструкций оттяжек опор BJI.

• обоснована применимость почвенных карт для предварительной характеристики агрессивности грунтовых условий трасс BJI к стальным подземным элементам опор, что важно при определении долговечности проектируемых BJI и расчете их грозоупорности.

Теоретическая значимость результатов работы заключается в том, что.

• разработан инструмент для исследования долговечности опор с оттяжками в различных грунтово-климатических условиях.

• определены основные макро коррозионные параметры для различных типов опор, совокупность которых наиболее значимо отражает процесс гальванического взаимодействия подземных конструкций опор BJI.

• установлено существование минимального числа электрофизических параметров, по которым возможно определение границ коррозионно-опасных зон по трассе BJT и которые могут быть электрофизической характеристикой почвогрунтовых условий.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

• разработана пригодная для широкого практического использования в России и странах СНГ методика эксплуатационной экспресс диагностики коррозионного состояния подземных анкерных конструкций оттяжек опор BJI 220−500 кВ без их откопки.

• сформулированы технические требования для разработки и проектирования новых долговечных конструкций узла крепления оттяжек.

• на основании полученных результатов разработаны и опубликованы Предложения нормативного характера для Правил Технической Эксплуатации электрических сетей [61].

• массовые осмотры подземных конструкций опор BJI 220−500 кВ, выполненные со вскрытием грунта после проведенных обследований, пропусков дефектных опор не обнаружили.

• с участием передвижной лаборатории научно-производственного предприятия «ЭЛЕКТРОКОРР», оснащенной разработанной методикой, к настоящему времени предотвращено падение более 30 опор BJT 220−500 кВ, имеющих потерю сечения петель анкерных плит на уровне 75. 100%.

• в службах инженерной диагностики Алматинского и Акмолинского филиалов межсистемных электрических сетей ОАО «KEGOC» Республики Казахстан созданы передвижные лаборатории, использующие разработанную методику.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Опоры BJI, с позиций вопросов долговечности, необходимо рассматривать как электротехнический элемент электрической сети.

2. Переменный ток, с параметрами и условиями его протекания, характерными для наведенных токов в реальных конструкциях опор на оттяжках, ускоряет процесс коррозии не сварных контактных соединений из стали.

3. Существует диапазон значений наведенных в оттяжках токов, удельного электрического сопротивления грунта и стационарного электродного потенциала U-образных болтов, в котором существует возможность ускоренной подземной коррозии несущих конструкций опор BJI. В этом диапазоне процесс коррозии является многофакторным.

4. Достоверность результата расчета потери сечения U-образных болтов и петель анкерных плит узла крепления оттяжек опор действующих BJI 220 -500 кВ, получаемого с помощью разработанной нейросетевой модели находится не уровне 90%.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 20 научных работ. Они включают: шесть научных статей- 12 опубликованных докладов конференцийодин документ нормативного характера и одно свидетельство на государственную регистрацию программы для ПЭВМ «Статистико-диагностический комплекс DBElectro 2.1».

Выводы по главе.

1. Обследование действующих BJI 220−500 кВ, проходящих по территории России, Казахстана, Туркмении, выполненных по единым проектам и практически в одно время, показали схожесть коррозионного состояния анкерных конструкций и заземления несмотря на различия в материале элементов опор, особенностей строительства, специфику эксплуатации.

2. Результаты обследования действующих BJI 220−500 кВ подтвердили правильность выбранной концепции метода диагностики анкерных конструкций оттяжек, в основе которой лежит статистическое представление о конструкции анкерного узла, так как из результатов осмотров со вскрытием грунта видно, что реальные подземные конструкции опор далеки от идеальных форм.

3. На основании выполненных исследований, результатов ремонтных работ и анализа нормативных документов предложены технические и организационные мероприятия по обеспечению долговечности опор с оттяжками при реконструкции старых и строительстве новых BJI.

Заключение

.

Таким образом, на основании поставленных в работе и решенных задач по проблеме определения долговечности подземных анкерных конструкций опор с оттяжками BJI220−500 кВ получены следующие результаты:

1. Низкая долговечность опор с оттяжками по причине подземной коррозии анкерных конструкций показала, что требования Строительных Норм и Правил (СНиП) по защите BJI от воздействия окружающей среды, на которые опираются действующие Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ), не являются достаточными для электротехнических конструкций, в частности для опор BJI, находящихся под влиянием электромагнитных полей, аварийных токов электрической сети и воздействием токов молний.

2. В работе выяснено, что.

— в результате индуктивного влияния трехфазной линии в оттяжках опор BJI наводятся два напряжения, сдвинутые по фазе на 90°. Первое, действующее в контуре «трос — трос», составляет для BJI — 500кВ напряжение 414 mV, а второе, действующее в контуре «тросы — грунт — опора», составляет 495 mV.

— под действием этих напряжений при малом переходном сопротивлении контакта «болты — петля» (0,02−0,04 Ом) токи, протекающие в контуре «трос-трос», могут достигать значений 8−10 А, а в контуре «тросы — грунт — опора», соответственно, 2−3 А, что подтверждено измерениями на BJI.

— наведенные переменные токи в оттяжках опор могут способствовать усилению (в 2−5 раз) подземной коррозии анкерных конструкций в зоне контакта U-образных болтов с петлей анкерной плиты, а также в других контактах опоры, что подтверждено лабораторным экспериментом.

— при большом переходном сопротивлении контакта «болты — петля» (десятки или даже единицы Ом) и низком удельном сопротивлении грунта (2 -5 Ом-м) максимальная равномерная плотность переменных токов, стекающих в грунт через нижние части болтов, может достигать 3,47 А/м, что не является опасным.

— емкостные токи, возникающие от электрического влияния BJ1 на тросовые растяжки, существенно ниже тех, которые возникают от магнитного влияния и составляют менее 0,1 А.

— при отсутствии надлежащего заземления U-образных болтов, либо при применении болтов с непроводящим антикоррозионным покрытием, или при наличии в контактах изоляционных прокладок, условия электробезопасности опоры могут нарушиться из-за появления на оттяжках напряжения до 36 кВ.

3. В работе доказано, что грунтовые условия на трассах магистральных BJI образуют стабильные во времени агрессивные и пассивные участки к стальным подземным конструкциям опор. На основании данных теории коррозии, проведенных исследований и экспериментальных работ определены параметры и конкретные их значения, однозначно устанавливающие границы пассивных участков и коррозионно-опасных зон. Выяснено, что:

— грунтовые условия большинства трасс BJI 220−1150 кВ, идущих по территории России и Казахстана, представляют коррозионную опасность для стальных подземных конструкций опор с оттяжками.

— петля анкерной плиты, с точки зрения долговечности, является самым уязвимым элементом существующей конструкции подземного узла крепления оттяжек опоры.

— трассы магистральных BJI имеют участки однородных грунтовых условий и переходные зоны, характеризующие смену типов почв и грунтов. Переходные зоны представляют наибольшую опасность для коррозии анкерных конструкций оттяжек, а также могут влиять на характер растекания в земле аварийных токов электрической сети и токов молний.

— найден расчетный метод определения места пересечения трассой BJI границы смены почвогрунтовых условий, результаты которого хорошо согласуются с данными почвенных карт.

— удельное электрическое сопротивление грунта и электродный потенциал анкерных конструкций опор имеют многолетнюю устойчивость, что позволяет использовать в расчетах результаты измерений в течение всего летнего сезона с ошибкой не более 10%. Суточное поведение электродного потенциала U-образных болтов также устойчиво и его колебания практически не превышают 1%.

— для определения долговечности опор BJI в коррозионно-опасной зоне требуется учет кроме основных коррозионных параметров и токовых влияний электрической сети, также конструктивных параметров опор, срока службы BJ1, типа грунта и глубины до плиты.

4. На основании обширной статистики результатов осмотров подземных анкерных конструкций, полученных со вскрытием грунта (более 2500 точек вскрытия из более 12 000 обследованных опор BJI 220−500 кВ в России, Казахстане, Туркмении) были разработаны и обучены нейросетевые модели для расчета потери сечения петель анкерных плит и U-образных болтов. Достоверность результата расчета, получаемого с их помощью, находится на уровне 90%.

5. Результаты обследования действующих BJI 220−500 кВ подтвердили правильность выбранной концепции метода диагностики анкерных конструкций оттяжек, в основе которой лежит статистическое представление о конструкции анкерного узла, так как из результатов осмотров со вскрытием грунта видно, что реальные подземные конструкции опор далеки от идеальных форм.

Вместе с тем, остаются не исследованными влияния на долговечность подземных конструкций электроустановок аварийных токов энергосистемы, не определена периодичность контроля коррозионного состояния контактных соединений опор, в которых могут протекать наведенные токи от рабочих токов электрической сети. Это в большей. степени важно для ОРУ станций и подстанций, так как на них также, как и на BJ1 имеются порталы на оттяжках.