АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПОР ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРИБОРНОГО КОМПЛЕКСА «АРБОТОМ»

АННОТАЦИЯ

В Республике Саха (Якутия) в воздушных сетях электроснабжения широко применяются деревянные опоры различной конструктивной формы. Знание фактического технического состояния деревянных опор линий электропередач (ЛЭП) позволяет делать корректный прогноз безаварийной эксплуатации, планировать ремонтные программы, повысить надежность поставок электроэнергии. Изучение фактического технического состояния деревянных опор линий ЛЭП является актуальной задачей. Для этих целей применен приборный комплекс «АРБОТОМ», при различных условиях эксплуатации ЛЭП.

Приведены результаты применения «АРБОТОМ»  при исследованиях стволов деревьев в натурных условиях и деревянных элементов опор эксплуатируемых ЛЭП. Разработаны предложения по повышению эффективности применения неразрушающего метода контроля качества древесины приборным комплексом «АРБОТОМ».

ABSTRACT

In the Republic of Sakha (Yakutia), wooden supports of various structural shapes are widely used in overhead power supply networks. Knowledge of the actual technical condition of wooden poles of power transmission lines (power lines) allows you to make a correct forecast of trouble-free operation, plan repair programs, increase the reliability of electricity supplies. The study of the actual technical condition of wooden poles of power lines is an urgent task. For these purposes, the instrument complex "ARBOTOM" was used, under various operating conditions of power lines.

A comparison of the results of the use of "ARBOTOM" in studies of tree trunks under field conditions and wooden elements of the supports of operated power lines is carried out. Developed proposals to improve the effectiveness of the non-destructive method of wood quality control by the “ARBOTOM” instrument complex.

Ключевые слова: Деревянные опоры, линии электропередач, неразрушающие методы контроля, качество древесины, приборный комплекс «АРБОТОМ», прогноз безаварийной эксплуатации.

Keywords: Wooden poles of power lines, non-destructive methods of wood quality control, “ARBOTOM” instrument complex, forecast of trouble-free operation.

Введение

Деревянные элементы опор воздушных линий электропередач являются важной составной частью конструктивной формы опор ЛЭП, обеспечивающих надежность передачи электрической энергии, безаварийность и в целом эффективность эксплуатации электросетей. В Республике Саха (Якутия) общая протяженность воздушных ЛЭП различной ведомственной принадлежности всех классов напряжений составляет свыше 26000 км. Преобладающая часть воздушных линий имеет опоры с применением деревянных элементов. Опоры в полностью деревянном исполнении широко распространены в районах республики. Значимая часть опор ЛЭП эксплуатируется более 20-30 лет. Деревянные опоры подвержены гниению, действию биоповредителей. Имеются случаи аварийного выхода из эксплуатации ЛЭП, отдельные случаи массовых отказов. На устранение аварий и их последствий расходуются силы и средства эксплутирущих  сети организаций и предприятий. Планирование ремонтных программ является сложной управленческой задачей, предприятия не обладают всей полнотой информации о реальном состоянии сетей, недостаточно данных о сотоянии и степени физического износа деревянных элементов опор линий электропередач. В этой связи изучение, обследования и анализ фактического состояния деревянных опор ЛЭП является важной экономической, технической и научной задачей.

Особенности строения древесины в условиях Республики Саха (Якутия)

В Якутии, на 2023 год, в возрастной структуре преобладают спелые и перестойные насаждения, их площадь – 60935,2 тыс. га, площадь средневозрастных насаждений – 47441,4 тыс. га, молодняков – 32240,7 тыс. га, приспевающих – 10062,6 тыс. га.

Доля спелых и перестойных насаждений в общем запасе древесины – 59%. Почти 90% этой группы составляют хвойные породы, что существенно повышает хозяйственную ценность таких лесов для заготовки древесины.

Климатические и почвенные условия произрастания деревьев оказывают влияние на строение стволов деревьев, на минеральный состав веществ, формирующих структуру и состав древесины. Короткое лето, длительный зимний период, баланс атмосферной влаги и грунтовых вод в почвах с многолетней (вечной) мерзлотой являются условиями, формирующими особенности строения древесины – такие как относительно низкое содержание ранней древесины, менее прочной, и относительно высокое содержание поздней древесины, более прочной части ширины годичных слоев. Ширина годичных слоёв лиственницы и сосны в условиях Центральной Якутии обычно равна 1-2 мм, в Южной Якутии – до 3-4 мм, тогда как в Западной и Средней Сибири достигает 5-8 мм. Отмечено, что в древесине некоторых территорий произрастания уменьшение толщины годичного слоя коррелируется с увеличением прочностных показателей лиственницы и сосны [1-2, 3].

В настоящее время, в связи с истощением запасов деловой древесины в освоенных лесосеках Центральной Якутии, круглый лес для изготовления заготовок деревянных опор ЛЭП поставляется с лесосек Ленского района Якутии и из Иркутской области. Можно утверждать, что заготовки деревянных опор ЛЭП, заготовленные в местах более благоприятным климатом (с более широкими годичными слоями и низким содержанием поздней древесины) менее долговечны в реальных условиях эксплуатации, нежели заготовки из Центральной Якутии (с узкими годичными слоями и с более высоким содержанием поздней древесины). В последние годы предприятия начали приобретать и использовать предварительно пропитанные защитными составами заготовки опор, что даст за предстоящие годы значительный экономический эффект.

Стволы деревьев и круглые лесоматериалы имеют уникальное строение, которое имеет значение для их качества и применимости. Согласно ГОСТ 2140-81. "Видимые пороки древесины. Классификация, термины и определения, способы измерения" [4], видимыми пороками считают недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможность ее использования. Из видимых пороков выделяют:

1. Сучки;
2. Трещины;
3. Пороки формы ствола;
4. Пороки строения древесины;
5. Химические окраски;
6. Грибные поражения;
7. Биологические повреждения;
8. Инородные включения, механические повреждения и пороки обработки;
9. Покоробленности, и другие.

Перечисленные пороки, формирующие качество древесины, оказывают решающее значение при определении качества, физико-технических характеристик и потребительских свойств [5].

Практика использования сосны и лиственницы, заготовленной в Якутии, показывает, что лиственница более насыщена естественными пороками [1-2, 6].

Исследование лиственницы (Larix gmelini) и сосны (Pinus sylvestris L.) с использованием импульсного томографа «АРБОТОМ»

Для исследования строения древесины, качественной и количественной оценки естественных пороков древесины применяются современные неразрушающие методы - компьютерная томография, рентгеновская томография, инфракрасная термография и другие. Применение резистографа решает аналогичные или близкие задачи.

Определённые возможности для исследований дает применение импульсного томографа «АРБОТОМ»:

1. Идентификация дефектов и аномалий: импульсный томограф может выявлять дефекты и аномалии внутри древесины, такие как трещины, внутренние полости, пустоты и гниль. По мере прохождения импульсов через древесину, любые изменения во времени прохождения импульсов могут указывать на наличие дефектов или отклонений от нормальной структуры;
2. Выявление аварийно опасных деревьев для своевременного их удаления до падения;
3. Прием и обработка измеренных значений, их графическое представление и анализ на компьютере.

Используя принцип измерения времени прохождения импульсов через древесину, «АРБОТОМ» создает изображение внутренней структуры древесины. По мере прохождения импульса через различные части древесины, происходит изменение времени прохождения импульсов. Анализ этих изменений позволяет определить различные параметры, такие как аномалии, трещины и изменения структуры. Исследования позволяют так же выявить различия в состоянии древесины между лиственницей и сосной. Для отработки методов исследований, для усвоения технологии работы с приборным комплексом – собственно импульсным томографом, адаптированным компьютером с необходимым программным обеспечением, на начальном этапе работы были проведены несколько серий исследований на опытных чураках с визуально видимыми ественными пороками – сучками.

Проведены полевые исследования с использованием приборного комплекса – импульсного томографа «АРБОТОМ» живых растущих деревьев в окрестностях города Якутска – лиственницы и сосны, 5 и 7 штук соответственно. Валка исследованных деревьев, и распил в поперечных сечениях стволов - местах исследования, не проводились.

Линейная графика обеспечивает отображение скоростей прохождения импульсов между сенсорами в виде цветного графического построения. Скорости прохождения отображаются различными цветами из набора. Использована рекомендуемая комбинация (модель) "red-yellow-green", которая подобно светофору перекрывает весь разброс значений от больших (зелёный цвет) до низких (красный цвет) (Рис. 1).

Визуализация результатов импульсного томографирования позволяет оценить качество ствола дерева в исследуемом поперечном сечении. Исследования выявили высокое качество получаемых т.н. «отображений плоскостной графики» (Рис. 2).

Рисунок 1. Отображение цветов на графике в зависимости от скорости

Рисунок 2. Внутреннее состояние здоровой сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)

По результатам анализа внутреннего состояния сосны можно сделать вывод, что в исследуемом поперечном сечении внутреннее состояние дерева хорошее, так как не выявлено признаков естественных пороков - сучков, трещин или гнили.

Изучение 12 экземпляров сосны и лиственницы позволило сделать соответствующие выводы:

• приборный комплекс «АРБОТОМ» корректно представляет результаты, визуализация результатов имеет достаточно высокое качество;
• количественная оценка (установление корреляции между цветовым выражением скорости прохождения импульсов и прочностью древесины) требует дальнейших исследований;
• по визуальному изображению результатов возможно с высокой вероятностью различить лиственницу (Larix gmelini) и сосну (Pinus sylvestris L.).

Исследование деревянных опор воздушных линий электропередач с использованием импульсного томографа «АРБОТОМ»

Следующим этапом работ была отработка методики исследований и изучение состояния деревянных опор воздушных линий электропередач. Деревянные опоры линий электропередачи представляют собой конструктивные элементы, которые используются для поддержки и распределения электрических проводов вдоль маршрутов передачи электроэнергии. Они играют важную роль в электроэнергетической инфраструктуре, обеспечивая надежность и стабильность передачи электрической энергии.

Деревянные опоры обладают несколькими преимуществами, по сравнению с железобетонными. Во-первых, деревянные конструкции являются относительно легкими, что упрощает их транспортировку, монтаж и обслуживание. Во-вторых, древесина обладает хорошей изоляционной способностью, что помогает предотвращать утечку электрического тока и защищать провода от воздействия окружающей среды. Кроме того, деревянные опоры являются экологически дружественным вариантом, так как древесина является возобновляемым природным ресурсом [7].

Однако деревянные опоры также имеют свои ограничения и требуют регулярного обслуживания и контроля. Влажность, насекомые, гниение и механические повреждения могут привести к деградации древесины и снижению прочности опор. Поэтому важно проводить исследования и оценку строения деревянных элементов опор линий электропередачи, чтобы выявить возможные дефекты, оценить их состояние и принять соответствующие меры по обслуживанию, ремонту или замене элементов, если это необходимо.

Исследование состояния деревянных элементов опор линий электропередачи в полевых условиях включает анализ и оценку их внутренней структуры и состояния с целью определения прочности, устойчивости и потенциальных дефектов. Аспекты исследования:

Первым шагом является визуальный осмотр деревянных элементов опор. Визуальный осмотр позволяет обнаружить явные поверхностные дефекты, такие как трещины, гниль, повреждения от насекомых или механические повреждения.

Метод исследования - после визуального осмотра применяется неразрушающий метод исследования – импульсное томографирование, для получения более детальной информации о внутренней структуре и состоянии древесины опоры.

Анализ данных и интерпретация результатов - полученные данные и изображения, полученные с помощью «АРБОТОМ», анализируются и интерпретируются. Оценка структуры древесины, выявление наличия дефектов, определения плотности и прочностные характеристики.

Формирование отчета - по завершении исследования составляется подробный отчет, который включает описание процедуры исследования, полученные результаты, интерпретацию данных, а также рекомендации по дальнейшим действиям. Отчет может быть использован для принятия решений о необходимости ремонта, замены или усиления деревянных элементов опор.

Важно отметить, что исследование строения деревянных элементов опор линий электропередачи является сложным процессом, который требует опытных специалистов и специализированного оборудования. Это помогает обеспечить безопасность и эффективность работы электрических сетей, а также продлить срок службы опор [8, 9].

Нами исследованы П-образные и А-образные деревянные опоры в количестве 14 штук, в трех линиях электропередач ВЛ-35 кВ, в пригороде г. Якутска, в июне 2023 года, со сроками эксплуатации от 10 до 56 лет. Было обнаружено гниение на обеих стойках опоры различной с разными степенями поражения в приопорных частях, в местах контакта опор с грунтом (Рис. 3 и 4). Степени поражения гнилью приопорных частей опор, визуализируемые приборным комплексом «АРБОТОМ», коррелируются при визуальном осмотре опор, проводимом в полевых условиях. Основной массив результатов находится в интервале от 0% (здоровая, не пораженная древесина), до 50% (половина площади сечения опоры поражена). График зависимости поражения опор от сроков эксплуатации представлена на рис. 6. Выявлена одна опора с поражением 85% (Рис. 6). Расположение сенсоров «АРБОТОМ» позволяет фиксировать направление по сторонам света (север-юг, восток-запад), и такая фиксация выявила определенную тенденцию преобладающего поражения сечения пригрунтовой части деревянной опоры с южной, солнечной стороны. Данное обстоятельство подтверждает известную тенденцию повышения интенсивности поражения древесины с южной стороны, по сравнению с более затенённой, северной стороной. Характерная плоскостная графика с поражением сечения опоры в 40% представлена на рис. 5.

Рисунок 3. П-образная и А-образная деревянные опоры

Рисунок 4. Наружное гниение на стоек стойке опоры №31 Л-36 ВЛ-35 кВ

Рисунок 5. Визуализация сечения пригрунтовой части опоры. Поражение 40%

Рисунок 6. Зависимость поражения от срока эксплуатации

На основании анализа результатов, визуализации поражения, зависимости площади поражения поперечного сечения приопорной части деревянных опор ЛЭП, разработаны предложения по совершенствованию метода полевых работ по импульсному томографированию приборным комплексом «АРБОТОМ».

Выводы и предложения

1. Импульсное томографирование деревянных элементов опор воздушных линий электропередач приборным комплексом «АРБОТОМ» позволяет получать результаты, для качественной оценки их состояния;
2. Для дальнейшего продолжения данной работы, количественной оценки прочности сечения, требуется установление достоверной корреляции между элементами цветовой идентификации скорости прохождения импульсов и показателями прочности древесины опор ЛЭП;
3. Данный неразрушающий метод исследования позволит оценить динамику поражения элементов опор в зависимости от угла наклона этих элементов (укосин, наклонных элементов, траверс) к горизонту.

Список литературы:

1. Чахов Д.К., Романов П.Г., Сыроватский В.С., Самсонов А.М. Конструкционная прочность древесины хвойных пород, произрастающих в Якутии (н.-т. отчет) РНТП «Проблемы строительного комплекса Якутии». Блок 1. Раздел 3.15. 4. Распространение поперечных волн пластических деформаций на поверхности древесины. Обоснование разработки теоретической модели. Якутск.1994. 69-85 с.
2. Чахов Д.К., Романов П.Г., Сыроватский В.С., Самсонов А.М. Конструкционная прочность древесины хвойных пород, произрастающих в Якутии (н.-т. отчет) РНТП «Проблемы строительного комплекса Якутии». Блок 1. Раздел 3.4-55. 3. Распространение поперечных волн пластических деформаций на поверхности деревянных образцов. Якутск. 1995. 54-69 с.
3. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. Справочник/Под ред. Б.Н. Уголева.- М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 296 с.
4. ГОСТ 2140-81. Видимые пороки древесины. Классификация, термины и определения, способы измерения.
5. Пардаев А. С. Определение влияния пороков древесины на напряженно-деформированное состояние элементов столярно-строительных конструкций на основе имитационного моделирования. Труды БГТУ. №2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2010. № 2. С. 193-195.
6. Уткин А.И. Леса Республики Саха (Якутия) - феномен таежного пояса северной Евразии. Хвойные бореальной зоны. 2006. Т. 23. № 3. С. 7-14.
7. Деревянные опоры воздушных линий электропередачи. URL: https://elesant.ru/vozdushnye-linii-elektroperedach/derevyannye-opory-vozdushnykh-linij-elektroperedachi?ysclid=ljesjyu5pz505016162 (дата обращения: 19.05.2023)
8. Обзор современных устройств, предназначенных для исследования состояния древесины. URL: http://www.drevoved.ru/Publikacii/ustrojstva.html?ysclid=ljesl6j15o276335136 (дата обращения 22.05.2023)
9. Мельничук И.А., Йассин Солиман Й.М., Черданцева О.А. Диагностика внутреннего состояния деревьев Tilia cordata Mill. С использованием комплекса аппаратуры акустической ультразвуковой томографии «Арботом ®» / И.А. Мельничук, Й.М. Йассин Солиман, О.А. Черданцева. - Вестник РУДН, серия Агрономия и животноводство, 2012, № 5. С.25-32.