Експлуатаційні фактори довговічності великих переходів повітряних ліній електропередачі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна академія будівництва і архітектури

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Експлуатаційні фактори довговічності великих переходів повітряних ліній електропередачі

Назім Ярослав Вікторович

Макіївка - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донбаській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти України.

Наукові керівники:

- Доктор технічних наук, професор Горохов Євген Васильович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, ректор, завідувач кафедри;

- Кандидат технічних наук, доцент Шаповалов Сергій Миколайович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти:

- Доктор технічних наук, професор Казакевич Михайло Ісаакович, Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, завідувач кафедри;

- Кандидат технічних наук, доцент Ажермачов Геннадій Арсентійович, Кримський інститут природоохоронного і курортного будівництва, завідувач кафедри.

Провідна установа: Полтавський державний технічний університет імені Ю. Кондратюка, Міністерство освіти України (м. Полтава).

Захист дисертації відбудеться "24" грудня 1998 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I учбовий корпус, Зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури.

Автореферат розісланий "24" листопада 1998 р.

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради доктор техн. наук, професор В.А. Матвієнко.

перехід повітряний лінія електропередача

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Переходи повітряних ліній електропередачі (ПЛ) через великі водяні простори є важливою ланкою в структурі основних виробничих фондів підприємств електричних мереж. В Україні експлуатується 62 великих переходи ПЛ напругою 220-750 кВ. Унікальність великих переходів ПЛ визначається високим ступенем відповідальності і підвищеними вимогами до їх надійності і довговічності, важкими умовами експлуатації, складним комплексом інженерних вишукувань та рішень при проектуванні, монтажеві, ремонті або реконструкції. Приділена вартість переходів в кілька разів (а в окремих випадках у десятки разів) перевищує приділену вартість самої лінії. Це потребує особливого підходу в питаннях проектування, розрахунку, будівництва та експлуатації переходів.

Достовірна оцінка технічного стану і створення довговічних перехідних опор неможливі без урахування впливу фізико-хімічних процесів в атмосфері та умов експлуатації, а також фактичної мінливості навантажень і міцнісних характеристик конструкції. Однією з головних перешкод для збільшення термінів служби перехідних опор ПЛ є проблема корозійного руйнування елементів і вузлів конструкцій. Науковий і практичний інтерес викликають питання динамічної поведінки переходів ПЛ, як системи в цілому, так і окремих її складових (проводів, опор).

Зазначені задачі актуальні, оскільки навіть незначне підвищення довговічності переходів ПЛ дає великий економічний ефект.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з науково-дослідними роботами за замовленням Міненерго України і галузевими науково-дослідними темами №088-Н "Розробка галузевих нормативних документів по обстеженню і перерахунку електромережевих конструкцій" (1995 р.), №64.08.005.5.7 "Визначення допустимого зносу металевих електромережевих конструкцій: методи, розробка приладів" (1996 р.).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення експлуатаційної надійності та довговічності великих переходів повітряних ліній електропередачі за рахунок урахування впливу їх конструктивних особливостей і умов роботи.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

натурні обстеження та аналіз досвіду експлуатації переходів повітряних ліній електропередачі через великі водяні простори для встановлення рівня значущості експлуатаційних факторів;

корозійно-механічні випробування фланцевих і однозрізних болтових з'єднань при моделюванні напруженого стану болтів і агресивності середовища;

вивчення динамічної поведінки проводів і грозозахисних тросів переходів ПЛ при скиданні ожеледі і їх обриві з застосуванням методів математичного моделювання;

дослідження впливу динамічних навантажень на напружено-деформований стан (НДС) перехідних опор на основі чисельних експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Короткий зміст наукових положень і результатів, отриманих автором, полягає у наступному:

встановлені характерні дефекти та пошкодження конструктивних елементів великих переходів повітряних ліній електропередачі;

отримані регресійні моделі для прогнозування геометричних і міцнісних характеристик болтів фланцевих і однозрізних з'єднань у залежності від рівня їх напруженого стану та концентрації сірчаного ангідриду в атмосфері;

запропонована математична модель для опису напружено-деформованого стану проводів і тросів ПЛ по усьому прольоту при підскокові в результаті скидання ожеледі, яка дозволяє встановити форму та характеристики імпульсних навантажень на опору;

виконана оцінка впливу динамічних навантажень при скиданні ожеледі з проводів і їх обриві на розподіл та величину зусиль в елементах анкерних перехідних опор;

обґрунтована необхідність урахування динамічних навантажень на конструкції перехідних опор, провода та троси при проектуванні, обстеженні і реконструкції великих переходів ПЛ.

Практичне значення одержаних результатів. Матеріали досліджень використані: при розробці нормативного документа Міненерго України "Металеві та залізобетонні опори повітряних ліній електропередачі напругою 35 кВ та більше. Методичні вказівки з оцінки технічного стану та перерахунку"; при проведенні натурних обстежень об'єктів Дніпровських і Донбаських магістральних електричних мереж національної енергетичної компанії "Укренерго".

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:

безпосередня участь у проведенні натурних обстежень, випробувань і лабораторних досліджень;

розробка усіх методик і виконання чисельних експериментів, наведених у дисертації;

статистичне опрацювання інформації, одержаної при обстеженнях, випробуваннях, чисельних дослідженнях;

систематизація і науковий аналіз одержаних результатів.

В публікаціях зі співавторами особисто здобувачем виконано перерахунок проводів і тросів ПЛ за даними натурного огляду [1, 2]; статистична обробка результатів досліджень корозійних процесів болтових з'єднань [3, 4]; корозійно-механічні випробування моделей фланцевих і однозрізних з'єднань та аналіз їх результатів [5]; чисельні дослідження аеродинамічних явищ проводів та тросів ПЛ [6].

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній науково-практичній конференції з методичних питань дослідження надійності великих систем енергетики "Надійність і безпека старіючих систем енергетики" у м. Києві (1995 р.), на Міжнародній конференції "Теорія і практика металевих конструкцій" у м. Донецьку (1997 р.), на IV-й Міжнародній конференції-виставці "Корозія-98. Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів" у м. Львові (1998 р.).

Публікації. По темі роботи опубліковано 7 друкованих робіт, що відбивають її основний зміст, у тому числі: 1 галузевий нормативний документ, розділ в монографії та 5 статей у збірках наукових праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 4 глави, основні результати і висновки, список використаної літератури (143 найменування), 3 додатки. Дисертація викладена на 193 сторінках, у тому числі 112 основного тексту, 14 сторінок списку літератури, 33 повних сторінки з рисунками і таблицями, 34 сторінки додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні результати отримані автором, показано їх наукову новизну і практичне значення.

У главі 1 аналізуються стан питання і наукові досягнення в галузі вивчення впливу умов експлуатації та особливостей динамічної поведінки конструкцій на довговічність і пошкоджуваність переходів повітряних ліній електропередачі. Виконано огляд науково-технічної і нормативної літератури у трьох напрямках досліджень: розрахунок і проектування великих переходів; особливості природно-кліматичних, технологічних навантажень і впливів, а також їх урахування при динамічних розрахунків переходів ПЛ; довговічність конструкцій в умовах агресивності атмосфери.

Загальні питання проектування конструктивних елементів переходів ПЛ достатньо повно розкриті в працях К.П. Крюкова, О.Д. Бошняковіча, Є.М. Бухаріна та інших. Особливістю роботи великих переходів ПЛ є динамічний характер ожеледно-вітрових навантажень та впливів, вивченню яких присвячені праці А. Едвардса, О.О. Глазунова, В.Є. Бучинського, А. Ричардсона, К. Купера. Рівень знань в даній галузі визначив розвиток досліджень коливань пружних систем і аеродинамічної нестійкості споруджень (праці Бехарда, Т. Кармана, Дж. Ден-Гартога, Паркінсона, М. Новака, Е. Сіміу, Р. Сканлана, М.І. Казакевіча та інших). Розвитку теорії динамічних розрахунків баштових споруд на вітрові впливи прислужили праці М.Ф. Барштейна, Б.Г. Коренєва, О.Г. Соколова, Г.О. Савицького та інших.

Динамічний характер мають навантаження, які виникають при скиданні ожеледі з проводів. Для існуючої практики проектування переходів ПЛ найбільший інтерес має визначення переміщення точок проводу з ціллю перевірки додержання електричних габаритів (праці В.В. Бургсдорфа, О.І. Курносова, Ф. Габерланда). Динамічні навантаження, які виникають при цьому не вивчені.

Особливу небезпеку руйнування конструкцій опор несуть ударні імпульси при обриві проводів. Статичний метод рішення задачі визначення тяжіння в проводі прольоту ПЛ, що залишився цілим, шляхом розгляду стану рівноваги системи до та після обриву проводу в одному з прольотів з урахуванням редукції, який був запропонований О.Д. Бошняковичем, хоч і надає якусь інформацію, але не дозволяє визначати максимальні значення зусиль в елементах ПЛ. В працях А.А. Зевіна, А.В. Штейна, Дж. Діана визначені характер зміни імпульсу від моменту обриву проводу до сталого стану рівноваги для різноманітних точок системи проводів ПЛ. Дослідження динамічного процесу при обриві проводу, які мають, перше за все, ціль одержання оцінки міцності та стійкості опор, не отримали належного розвитку для переходів ПЛ.

Аналіз праць А.І. Кікіна, Є.І. Бєлєня, Є.І. Голубєва, Є.В. Горохова та інших показує, що корозійне руйнування металу - основна причина зниження довговічності сталевих конструкцій в умовах відкритої атмосфери. Динамічний характер навантажень на конструкції опор переходів висуває додаткові вимоги до надійності елементів, додержанню їх міцнісних характеристик в процесі експлуатації. Надійність та довговічність перехідних опор в цілому залежить від експлуатаційних характеристик вузлових з'єднань елементів. У зв'язку з цим на перший план виходять питання їх корозійної стійкості. В працях О.І. Стеклова, Ю.Л. Вольберга предметом спеціальних експериментальних досліджень були питання довговічності зварних з'єднань. При спорудженні металоконструкцій переходів масове застосування одержали з'єднання елементів конструкцій за допомогою болтів. В дослідженнях С.М. Шаповалова, С.М. Бакаєва вивчено вплив конструктивної форми болтових з'єднань опор ПЛ на корозійний знос елементів, що з'єднуються, а також дія оцинковки та корозії на механічні властивості метизів. Вплив напруженого стану болтів та агресивності середовища експлуатації на їх корозійний знос і міцнісні властивості не досліджено.

На основі огляду літератури і проведеного аналізу сформульовані основні напрямки досліджень.

У главі 2 надаються результати, отримані при статистичному опрацюванні інформації по технічному стану великих переходів ПЛ в енергосистемах України.

В Україні експлуатується 62 переходи через великі водяні простори на 42 повітряних лініях електропередачі в 6 енергосистемах.

З метою встановлення фактичного технічного стану великих переходів, які експлуатуються в Україні, було виконано натурне обстеження об'єктів Дніпровських магістральних електричних мереж національної енергетичної компанії "Укренерго": 14 великих переходів ПЛ загальною довжиною 22 км, на яких збудовано 46 опор.

В главі надано аналіз досвіду експлуатації переходів, споруджених за різноманітними конструктивними схемами з застосуванням різних типів перехідних опор.

Резерви несучої спроможності перехідних опор, які експлуатуються, можуть бути отримані в результаті уточнення фактичних вітрових і ожеледних навантажень, навантажень від власної ваги конструкцій, урахування фактичної геометрії проводів. У процесі обстежень великих переходів виконувалося уточнення геометричних схем перехідних опор, контроль точок підвісу, стріл провісу проводів і грозозахисних тросів, а також планово-висотного положення опор. Геодезичний контроль стріл провісу дозволив перевірити дотримання габаритів переходів. Одержані результати показують, що в деяких прольотах стріли провісу збільшені в середньому на 5-10% у порівнянні з проектними, що призводить до істотного зниження навантажень на конструкції опор. При цьому вертикальні габарити відповідно зменшені на цей розмір. Зміну стріл провісу необхідно враховувати при виконанні механічних розрахунків проводів.

Відсутність аварій перехідних опор пояснюється особливою важливістю для енергосистеми країни та високим рівнем технічного обслуговування. Проте, для основної маси обстежених конструкцій (85%), незалежно від терміну експлуатації, відзначаються порушення покриттів денного маркірування та антикорозійного захисту (у першу чергу розтріскування, відшарування, а також розвиток підплівкової корозії), порушення цинкового покриття (корозія плямами).

Найбільш характерним видом корозійного зносу перехідних опор є суцільна рівномірна корозія (уражено 38% обстежених конструкцій). Інтенсивна щілинна корозія спостерігається переважно на опорах, які знаходяться в експлуатації більш 20 років (уражено 25% опор). Місцева корозія у вигляді язв характерна для вузлів опирання стояка опор на фундамент.

На довговічність конструкцій, які експлуатуються, істотний вплив роблять механічні ушкодження, які виникають внаслідок динамічного характеру навантажень від вітру на конструкції опор і навантажень від проводів та тросів: ослаблення болтових з'єднань (54% обстежених опор), скривлення елементів (16%), місцеві погнутості (30%), зсуви елементів поясів із геометричної осі (18%).

Статистичний аналіз результатів обстеження технічного стану переходів ПЛ, які експлуатуються в Україні, дозволив встановити пошкоджуваність конструктивних елементів переходів.

Виконані натурні обстеження та аналіз досвіду експлуатації переходів ПЛ через великі водяні простори дозволили встановити пошкоджуваність їх конструктивних елементів та найбільш значущі фактори, які впливають на надійність та довговічність: знос вузлових з'єднань опор в умовах агресивності середовища та динамічні навантаження від проводів та тросів при ожеледно-вітрових впливах.

У главі 3 надані результати досліджень корозійно-механічних випробувань болтів у з'єднаннях опор ПЛ. Як об'єкт дослідження були обрані однозрізні одноболтові та фланцеві з'єднання, які застосовуються в конструкціях траверс перехідних опор. Метою дослідження було одержання експериментальних даних про вплив агресивності середовища та напруженого стану болтових з'єднань на зміну геометричних і міцнісних характеристик болтів. Були виконані прискорені корозійні випробування моделей болтових з'єднань, механічні випробування болтів (на розрив) і металографічні дослідження болтів.

Вивчення процесів корозійного руйнування болтів під напруженням проводилося на матеріальних (фізичних) моделях фланцевих і одноболтових однозрізних з'єднань. Відповідно до програми експериментального дослідження моделі розділені на дві групи (табл. 1). Проводилися одночасно корозійні випробування болтів у напруженому стані (тип А), а також випробування болтів без навантаження (тип Б).

Таблиця 1 - Моделі болтових з'єднань