Developing an Effective and Reliable Power Grid in the Arctic Region Using Rosseti Tyumen Innovative Solutions

Page 1
background image

The MAIN JOURNAL for POWER GRID SPECIALISTS in RUSSIA

3 - 6   J U N E   2 0 1 9

MADRID, SPAIN


Page 2
background image

22

INN

OVAT

I

O

N

S  A

N

EFF

I

C

I

E

N

CY  PROPOSALS

Developing an Eff ective and Reliable 
Power Grid in the Arctic Region Using 
Rosseti Tyumen Innovative Solutions 

The paper considers decisions on developing an effective and reliable power grid in the Arctic 

region of the Russian Federation using the solutions of Rosseti Tyumen. These solutions are 

needed for creating up-to-date Arctic electrical network using the positive results of research 

and development implementation and taking into account existing climatic conditions.

Igor BOGACH, 

Head of the Electrotechnical Service of the Maintenance and Repair Department of Rosseti Tyumen 

Andrey BUROV, 

Head of the Relay Protection and Automation Service of the Grid Control Center of Rosseti Tyumen

Konstantin ZHURAVLEV, 

Leading Engineer in the Innovation and Energy Effi  ciency Division, Development and 

Innovation Department, Rosseti Tyumen

R

osseti Tyumen s a part of the Rosseti Group of 
Companies and one of the largest interregion-
al distribution grid companies in Russia. It has 
experience of operating the largest and most 

extensive distribution grid infrastructure in the Yamalo-
Nenets Autonomous district (part of the Arctic zone of 
the Russian Federation) since 1980. 

Rosseti  Tyumen  service  area  is  more  than  1.4  mil-

lion  square  kilometers.  It  includes  the  Yamalo-Nenets 
Autonomous district, the Khanty-Mansiysk Autonomous 
district — Yugra and the Tyumen Region. The population 
of  the  territory  is  about  3.6  million  people.  The  length 
of  power  lines  is  51  107  km  (including  0.4/10  kV  — 
23 444 km, 35 kV — 1 425 km, 110 kV — 24 382 km, 
220  kV  —  1  172  km),  the  number  of  35-220  kV  sub-
stations  is  647  units  (including  35  kV  substations  — 
52 units, 110 kV substations — 586 units, 220 kV sub-
stations — 9 units).

The Decree of the President of the Russian Federa-

tion No. 296 of May 2, 2014 [1] defi nes Arctic zone ter-
ritories of the Russian Federation. The total area of the 
Arctic zone is about 3 million sq. km (18% of the total 
territory of the Russian Federation), including 2.2 million 
sq.  km  of  land  with  a  population  of  2.5  million  people. 
Arctic  minerals,  their  explored  reserves  and  estimated 
resources make up the bulk of Russian mineral resource 
base (more than 90% of nickel and cobalt, 60% of cop-
per, about 80% of gas and 60% of oil, as well as most of 
Russian diamonds are mined here). Therewith, the po-
tential resources of these raw materials make up more 
than 70–90% of the total in Russia.

The Arctic zone of the Russian Federation is charac-

terized by extreme climatic conditions, low development 
(low  density  of  population  and  industrial  facilities)  and 
high resource intensity. 

The main characteristics of the Yamalo-Nenets Au-

tonomous district: 
•  total area — 769 thousand sq. km (35% of the total 

Arctic area);

•  population — 547 thousand people (22% of the total 

Arctic population);

•  power generation — 10 billion kWh/year;
•  the main electricity supplier is Rosseti Tyumen.

According  to  the  Socio-Economic  Development 

Strategy of the Yamalo-Nenets Autonomous district (un-
til 2020) [2], the sustainable development of the regional 
economics will be ensured primarily through the imple-
mentation of major investment projects related to the oil 
and gas production and processing. These projects are 
combined with the largest investment projects within the 
Program for the integrated development of the autono-
mous district fi elds: 
1.  Development  of  Yamal  Peninsula  land  fi elds  by  al-

locating three industrial zones:
•  the fi rst group (Bovanenkovskaya) includes three 

basic  fi elds  (Bovanenkovskoye,  Kharasaveys-
koye, Kruzenshternskoye) with the gross gas pro-
duction of 217 billion m3 per year;

•  the  second  group  (Tambeyskaya)  includes  six 

fi elds 

(Yuzhno-Tambeyskoye, 

Severo-Tam-

beyskoye,  Zapadno-Tambeyskoye,  Tasyiskoye, 
Malyginskoye, Syadorskoye) and  produce about 
65 billion m3 of gas in total per year;

•  the  third  group  (Yuzhnaya)  includes  nine  fi elds 

(Novo-Portovskoye,  Nurminskoye,  Malo-Yamal-
skoye, Rostovtsevskoye, Arcticheskoye, Sredne-
Yamalskoye, Khambateyskoye, Neitinskoye, Ka-
mennomysskoye) and is considered as a priority 
oil production facility with an annual production 
level of 7 million tons. The gas potential of this 
group does not exceed 30 billion m3 per year.

2.  The  Yamal  LNG  project,  including  the  project  of 

Sabetta  seaport  construction.  The  seaport  will 
handle and transport goods along the Northern Sea
Route.

3.  The Arctic Energy project, implementing the North-

ern  Latitudinal  Railway  project.  It  will  provide  the 
Yamal Peninsula with a single railway network, con-


Page 3
background image

23

necting  the  Northern  and  Sverdlovsk  railways.  The 
Obskaya  —  Salekhard  —  Nadym  —  Korotchaevo 
polar trunk railroad will open access to the Northern 
Sea Route and the Arctic shelves and increase the 
transport security of the Russian Federation.
As soon as full-scale upstream and transportation of 

raw hydrocarbons start, the total load of these industrial 
zones will be at least 500-600 MW. In order to ensure 
power supply of the industrial zones, it is necessary to 
build a full-fl edged power grid infrastructure and genera-
tion facilities.

A  well-developed  energy  infrastructure  is  not  only 

high reliability but also an impetus to develop other types 
of industry in the region, which directly aff ects the socio-
economic development and national security of Russia.

First  of  all,  reliable  and  uninterrupted  power  supply 

infrastructure  conducive  to  the  region  development  is 
required for advancing the industry and developing the 
Arctic region of the Russian Federation.

To solve this problem, taking into account experience 

of operating electric networks in the Far North and the 

Arctic accumulated for 38 years, Rosseti Tyumen imple-
mented a number of works aimed at creating an eff ective 
and reliable power grid in the Arctic region of the Russian 
Federation. It should be noted, that innovative solutions 
of  research  and  development  activities  and  fi eld  tests 
carried out in the Arctic zone of the Russian Federation 
(Yamalo-Nenets Autonomous district) were used.

The  construction,  reconstruction  and  operation  of 

electric networks served by Rosseti Tyumen in the Arc-
tic  region  (Yamalo-Nenets  Autonomous  district)  under 
diffi  cult  geological,  climatic  and  geocryological  condi-
tions allowed engineers to identify a number of climatic 
factors aff ecting electric networks: 
•  during  thunderstorms  there  is  no  rapid  draining  of 

thunderstorm  pulse  energy  from  the  ground  loop 
of  the  transmission  tower  to  the  ground  due  to  the 
high resistivity of soils (more than 1,000 Ohm·m). It 
causes  the  backfl ashover  of  the  power  line  and  its 
following outage;

•  cryogenic  destruction  of  piles  (“frost  weathering”), 

destruction of the towers foundations when the out-

24th World Energy Congress 

Special  issue,  September  2019


Page 4
background image

24

side temperature passes through zero, air hoar for-
mation on the wires might occur during icy-hoar frost 
impacts;

•  wind  eff ects  and  wires  swinging  lead  to  numerous 

cases of damage to wires and ground wires in sup-
porting  clamps  due  to  vibration,  when  operating 
overhead lines passing through open areas;

•  frosty heaving leads to the loss of tower foundation 

bearing capacity, damage to the structural elements 
of the tower and its foundation, and fall of transmis-
sion tower in case of failure to take measures.
Developing an eff ective and reliable up-to-date pow-

er  grid  in  the  Arctic  region  of  the  Russian  Federation 
involves the use of technological (methodological) and 
technical developments obtained from the research and 
development work.

To solve the problem of creating reliable innovative 

electric networks in the Arctic zone based on the innova-
tive development program of Rosseti Tyumen together 
with  the  ENERGOSETPROEKT  Institute,  the  Require-
ments  (Standard)  were  developed  for  designing  the 
construction, reconstruction and technical re-equipment 
of 35-220 kV power lines in the north of West Siberia. 
Existing climatic, geotechnical and geocryological con-
ditions of the region and technical solutions (Catalogs) 
on modernization of 35-110 kV steel lattice towers and 
their  foundations  applied  in  the  northern  regions  of 
Western  Siberia  (Yamalo-Nenets  Autonomous  district) 
and recommended for the Arctic zone were taken into
account.

The requirements are developed based on system-

atization of experience in the construction, reconstruc-
tion and operation of 35-110 kV power lines in the Far 
North, on the basis of new regulatory documents. The 
design  features  of  the  towers  and  foundations  of  35-
220  kV  power  lines  in  the  northern  air-climate  zone, 
analysis of the causes of accidents on power lines, the 
effi  ciency  of  remedial  measures  and  contain  compre-
hensive descriptions on calculating the mechanical part 
of overhead power lines were taken into account. Atten-
tion is focused on the selection of permissible voltages 
in wires and cables during designing in the conditions of 
the  north  of  Western  Siberia  (Yamalo-Nenets  Autono-
mous  district).  The  calculations  of  insulators  and  line 
hardware, the features of arranging the towers along the 
overhead  line,  the  calculations  of  towers  and  founda-
tions at low temperatures are considered. Approaches 
to designing the construction of overhead lines, as well 
as  requirements  for  engineering  surveys  and  design 
decisions  based  on  the  systematization  of  experience 
in the construction, reconstruction and operation of 35-
110 kV overhead lines are updated.

The requirements were submitted for approval to var-

ious  expert  organizations,  positive  assessments  were 
received from third-party organizations and branches of 
Rosseti Tyumen operating electric networks in the Arctic 
zone (Yamalo-Nenets Autonomous district):

 

– JSC Firm ORGRES;

 

– Institute  of  Hydraulic  Engineering  and  Power  Plant 

Construction  of  Moscow  State  University  of  Civil 
Engineering;

 

– Self-regulating organization of non-profi t partnership 

"UNION OF ENERGY BUILDERS";

 

– Branch  of  Rosseti  Tyumen,  Noyabrsk  Electric  Net-

works; 

 

– Branch  of  Rosseti  Tyumen,  Northern  Electric  Net-

works.
It  is  recommended  to  construct  reliable  innovative 

electric  networks  in  the  Arctic  region  using  develop-
ments  implemented  as  part  of  the  Rosseti  Tyumen 
innovative  development  program  described  in  this
paper. 

Within the innovative development program of Ros-

seti Tyumen, together with Rosseti FGC UES, research 
work devoted to development of measures to reduce the 
accident rate on the overhead lines of Rosseti Tyumen 
under complex geotechnical, climatic and geocryologi-
cal conditions was carried out. 

As a part of the research, an analysis of accidents on 

existing 35, 110, 220 kV overhead lines of the branches 
of  Rosseti  Tyumen  located  in  the  Yamalo-Nenets  Au-
tonomous district (the Arctic zone of the Russian Fed-
eration) was performed in reliance on climatic and other 
infl uences,  such  as  thunderstorms,  icy-hoarfrost,  wind 
and  other  eff ects,  wires  swinging,  aging,  deterioration, 
defects  in  construction  and  installation,  defects  in  de-
sign  and  manufacture,  fi res,  frosty  heaving.  According 
to performed analysis, the greatest number of 35, 110, 
220  kV  overhead  lines  outages  is  associated  with  cli-
matic infl uences — lightning overvoltage, icy-hoarfrost 
and  wind  eff ects.  Analysis  of  lightning  outages  of  35-
220  kV  overhead  lines  of  Rosseti  Tyumen  allowed  to 
identify  overhead  lines  with  low  lightning  resistance. 
Analysis of frosty heaving of the towers foundations re-
vealed the power lines exposed to this factor. 

To solve the problems arising from the operation of 

electric networks in the Arctic zone of the Russian Fed-
eration,  taking  into  account  the  climatic  factors,  Ros-
seti  Tyumen  uses  innovative  solutions  obtained  from 
research and development:
1.  Open  X-section  piles  developed  jointly  with  the 

ENERGO SETPROEKT Institute within the research 
work  “Development  of  a  technical  project  including 
a  calculation  methodology  and  design  documenta-
tion  for  unifi ed  towers  foundations  based  on  open 
X-section metal piles for the construction and recon-
struction  of  35-220  kV  overhead  lines”  and  imple-
mentation of design work on “Production, testing and 
certifi cation  of  prototypes  of  unifi ed  towers  founda-
tions for  35-220 kV overhead lines based on open 
X-section metal piles". Piles of an open X-sectional 
profi le have undoubted superiority compared to con-
ventional reinforced concrete piles in bearing capac-
ity for pulling loads and resistance to the eff ects of 
frost heaving. 

2.  A  frequency-dependent  resistor  for  suppressing 

high-frequency  overvoltage,  developed  jointly  with 
the Novosibirsk State Technical University within the 
research.  The  scope  of  the  frequency-dependent 
resistor  is  the  protection  of  high-voltage  electrical 
equipment  from  the  eff ects  of  high-frequency  over-
voltage  initiated  by  lightning  damages  of  overhead 

INN

OVAT

I

O

N

S  A

N

EFF

I

C

I

E

N

CY  PROPOSALS


Page 5
background image

25

lines  close  to  the  substation.  In  particular,  frequen-
cy-dependent resistors can be successfully used to 
protect the coil insulation of power transformers, as 
well  as  cable  inserts  (based  on  cables  with  cross-
linked  polyethylene  insulation)  from  RF  overvoltage 
initiated  by  lightning  damages  of  overhead  lines 
close to the substation. The use of frequency-depen-
dent resistors will be important in areas with a large 
number  of  thunderstorms  to  protect  expensive
equipment.

3.  A wires-swinging damper, developed jointly with Ele-

ktroset R&D Center within the development work, is 
a  device  built  into  anchor  string  (mounted  between 
the tower arm and the insulator string), which damps 
out the wires swinging in the initial stage or reduces 
wire vibrations to a safe level. 

4.  The  spiral-type  protector  for  protecting  AC  wires 

when exiting the hardware clamps, developed jointly 

with Elektroset R&D Center within the development 
work, is designed to protect against damage of stubs 
when the wire exits the hardware clamp.

5.  A broadband vibration damper, developed jointly with 

Elektroset R&D Center within the development work, 
can reduce the vibration level of wires/ground wires 
to a safe level.

6.  Quick-erected lightweight towers for remedial opera-

tions on 35-110 kV overhead lines made from compos-
ite  materials  that  do  not  require  special  foundations, 
developed jointly with PHOENIX-88 CJSC within the 
development work, have the following properties:
•  quick installation by one team (at least 10 people) 

using  special  lightweight  mounting  facilities  and 
one unit of all-terrain equipment using a traction 
mechanism with a force of 2 t;

•  no  need  to  build  foundations  requiring  a  signifi -

cant amount of earthworks;

24th World Energy Congress 

Special  issue,  September  2019


Page 6
background image

26

•  fast delivery of the tower assembly set to remote 

areas, including by helicopter; 

•  multiple use of towers;
•  tower  reliability,  taking  into  account  its  possible 

operation  in  diffi  cult  conditions,  including  at  low 
temperatures;

•  the  towers  design  provides  quick,  enlarged  as-

sembly and putting into operational position;

•  towers  are  suitable  for  installation,  including  in 

soft soils;

•  the towers have the lowest possible mass while 

maintaining  suffi  cient  reserves  of  mechanical 
strength, taking into account the loads character-
istic for the maximum cross-sections of the wires 
(specifi ed in the technical requirements), and cli-
matic factors.

7.  A spiral downlead clamp for connecting AC wires of 

various diameters, developed jointly with Elektroset 
R&D  Center  within  the  development  work,  is  de-
signed to connect AC wires (AC 70/11-AC240/56) of 
various diameters in a stub to create a reliable stub 
connection.

8.  The  TOR  110-IZN  pulse-protection  device  against 

single phase-to-ground faults of overhead and cable 
lines  in  6-35  kV  distribution  networks,  developed 
jointly with Relematika LLC (formerly IC Bresler LLC) 
and ENIN OJSC as a result of research and develop-
ment work. The uniqueness of the proposed device 
lies in the absence of settings for the relay protection 
set, since its principle of operation is based on the 
response to a transient process at a single phase-to-
ground fault with the control of wave propagation ac-
cording to the sign of instantaneous power. The TOR 
IZN-01 device is designed for selective signaling or 
tripping during ground faults (stable and unstable) in 
overhead  and  cable  lines  in  6-35  kV  networks,  re-
gardless of the neutral operating mode.

9.  The device for adaptive remote protection of a power 

line, developed jointly with Relematika LLC within the 
research  and  development  work.  The  main  advan-
tages of the developed device are its high sensitivity 
to transient resistances and response to all types of 
damage in the protected zone adapting the response 
characteristics to the parameters of the pre-fault net-
work mode. The device will allow avoiding additional 
calculations  of  the  protection  operation  parameters 
when changing network modes and confi guration.

ECONOMIC EFFICIENCY OF DECISIONS 

OBTAINED BY RESEARCH AND 

DEVELOPMENT IMPLEMENTATION

The application of the developed technical solutions and 
regulatory and technical requirements obtained as part 
of the implemented innovative development program of 

Rosseti Tyumen will lead to a cost improvement of 20.79 
million  rubles  per  year  per  100  km  of  overhead  lines, 
when developing electric networks in the Arctic zone of 
the Russian Federation. 

To create electric networks in the Arctic zone of the 

Russian  Federation  (Yamalo-Nenets  Autonomous  dis-
trict), at least 2,000 kilometers of overhead lines should 
be  constructed.  Therefore,  the  economic  eff ect  of  ap-
plying this project for the newly built power grid in the 
Arctic zone of the Russian Federation (in the territory of 
the Yamalo-Nenets Autonomous district) will amount to 
415.721 million rubles per year.

PROTECTABILITY, IMPORT SUBSTITUTION

Innovative solutions of Rosseti Tyumen are protected by 
the property right on inventions and utility models and by 
the company trademark. All prototypes of products ob-
tained  within  research  and  development  are  produced 
(part of the development is planned for production) and 
sold (part of the development is planned for sale) in the 
Russian Federation:
1.  Patent  for  the  invention  “Pulse-protection  device 

against  single  phase-to-ground  faults  of  overhead 
and cable lines in 6-35 kV distribution networks” No. 
2480882  of  April  27,  2013.  Patent  holders:  Rosseti 
Tyumen,  IC  Bresler  LLC  (Relematika  LLC),  ENIN 
OJSC.

2.  Patent for the utility model “Device for suppressing 

high-frequency overvoltage” No. 132633 of Septem-
ber  20,  2013.  Patent  holders:  Rosseti  Tyumen  and 
Novosibirsk State Technical University.

3.  Patent for the utility model "STEP-BOLT" No. 164823 

of August 30, 2016. Patent holders: Rosseti Tyumen 
and PHOENIX-88 CJSC. 

4.  Patent for the utility model “Complete combined pro-

tection  device  on  alternating  operating  current  for 
connecting  the  switchgear  of  6-35  kV  electric  net-
works”  No.  157512  of  November  11,  2015.  Patent 
holders:  Rosseti  Tyumen,  IC  Bresler  LLC  (Relema-
tika LLC).

5.  Patent for the utility model “The device for adaptive 

remote protection of a power line” No. 166909 of No-
vember  25,  2016.  Patent  holders:  Rosseti  Tyumen 
and IC Bresler LLC (Relematika LLC).

6.  Patent  for  the  invention  “Quick-erected  lightweight 

tower for remedial operations on overhead lines” No. 
2614180 of March 23, 2017. Patent holders: Rosseti 
Tyumen and PHOENIX-88 CJSC. 

7.  Patent for the invention “Method for remote protec-

tion  of  power  lines”  No.  2622895  of  June  21,  2017. 
Patent holders: Rosseti Tyumen and IC Bresler LLC 
(Relematika LLC).
The  domestic  developments  and  technologies  are 

being adopted when implementing the project.  

INN

OVAT

I

O

N

S  A

N

EFF

I

C

I

E

N

CY  PROPOSALS

REFERENCES
1.  Decree of the President of the Russian Federation No. 296 of May 2, 2014, the offi  cial website of the President of the Russian 

Federation. URL: http://www.kremlin.ru/acts/bank/38377.

2.  On the strategy for socio-economic development of the Yamalo-Nenets Autonomous Okrug until 2020 (as revised on: De-

cember 15, 2016), an electronic fund of legal and regulatory and technical documentation. URL: http://docs.cntd.ru/docu-
ment/424064239.


Читать онлайн

The paper considers decisions on developing an effective and reliable power grid in the Arctic region of the Russian Federation using the solutions of Rosseti Tyumen. These solutions are needed for creating up-to-date Arctic electrical network using the positive results of research and development implementation and taking into account existing climatic conditions.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»