Динамічні впливи на електромережеві конструкції та їх урахування при проектуванні і експлуатації

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК:624.014:621.311+624.042

ДИНАМІЧНІ ВПЛИВИ НА ЕЛЕКТРОМЕРЕЖЕВІ КОНСТРУКЦІЇ ТА ЇХ уРаХуВанНЯ ПРИ ПРОЕКТУВАННІ і ЕКСПЛУАТАЦІЇ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Турбін Сергій Володимирович

Макіївка 2001

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дисертація є рукописом.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Горохов Євген Васильович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, ректор, завідувач кафедри металевих конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Пічугін Сергій Федорович, Полтавський державний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, завідувач кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас;

кандидат технічних наук, провідний науковий співробітник Микитаренко Михайло Олексійович, ВАТ “Український проектний та науково-дослідний інститут “УкрНДІпроектстальконструкція”, відділ науково-технічного розвитку.

Провідна установа: Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, кафедра “Металеві, дерев'яні і пластмасові конструкції”, Міністерство освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Захист дисертації відбудеться “25” жовтня 2001 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I корпус, Зал засідань.

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

Автореферат розісланий “22” вересня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Югов А.М.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Визначальну роль при проектуванні та експлуатації металевих конструкцій опор повітряних ліній електропередачі (ПЛ) і вітроенергетичних установок (ВЕУ) має задача забезпечення надійності і довговічності конструктивних елементів протягом усього життєвого циклу. В даний час в енергосистемах України експлуатуються близько 915 тисяч кілометрів ПЛ, загальна маса яких досягає 25,6 млн. тонн. Причому ПЛ є досить протяжними об'єктами, що експлуатуються в різних кліматичних регіонах, проходять через населені пункти, перетинають великі водні простори. Від більшості інших будівельних конструкцій повітряні лінії відрізняються тим, що основними навантаженнями на опори ПЛ і ВЕУ є кліматичні та аварійні навантаження і впливи, що за своєю природою є динамічними. Подібна специфіка накладає ряд особливих вимог не тільки на стадії проектування та монтажу, але й на стадії експлуатації. Останні великі аварії влітку і восени 2000 року показали, на скільки важливі проблеми вивчення і підвищення експлуатаційної надійності електромережевих конструкцій при дії ожеледно-вітрових і аварійних навантажень.

Тому в сформованих умовах необхідно вивчити дійсні природно-кліматичні й аварійні навантаження та впливи як основну причину аварійності електромережевих конструкцій; удосконалити існуючі та розробити нові методи з підвищення експлуатаційної надійності опор повітряних ліній та вітроенергетичних установок за рахунок удосконалення принципів достовірної оцінки технічного стану елементів ПЛ і розробки конструктивних заходів щодо зниження несприятливих динамічних впливів.

Зазначені задачі актуальні, оскільки навіть незначне підвищення експлуатаційної надійності повітряних ліній дає відчутний економічний ефект.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до держбюджетної НДР Д-2-1-00 “Створення теоретичних та технологічних засад технічної діагностики та прогнозування технічного стану будівельних металевих конструкцій” (№ 0100U000929), кафедральною держбюджетною темою К-2-10-01 “Удосконалення формоутворення металоконструкцій на основі діагностики і моніторингу залишкового ресурсу, єкономіко-математичне моделювання режиму експлуатації будівель і споруд” розділ “Розробка методики нормування кліматичних навантажень на повітряні лінії електропередачі”. У даних роботах автором запропонована методика технічної діагностики опор ПЛ з урахуванням дійсного розподілу кліматичних навантажень за профілем траси та мікрокліматичних властивостей місцевості.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є забезпечення надійності і довговічності будівельних конструкцій електричних мереж при проектуванні і реконструкції на основі обліку фактичних динамічних навантажень і застосування конструктивних методів по стабілізації електромережевих конструкцій.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

виконана оцінка технічного стану електромережевих конструкцій, що експлуатуються, для визначення рівня значимості експлуатаційних факторів;

проведені теоретичні та експериментальні дослідження фактичного розподілу ожеледно-вітрових навантажень і впливів за профілем траси ПЛ і на майданчику вітроенергетичної станції (ВЕС);

виконані теоретичні й експериментальні дослідження по вивченню динамічної поведінки і стабілізації електромережевих конструкцій при дії природно-кліматичних і аварійних навантажень;

запропоновані рекомендації з експлуатації електромережевих конструкцій з урахуванням особливостей регіону.

Об'єкти досліджень металеві баштові опори повітряних ліній електропередачі і вітроенергетичних установок.

Предмет дослідження динамічні навантаження і впливи, їхній вплив на експлуатаційні фактори надійності та довговічності баштових опор ПЛ и ВЄУ. вітроенергетична станція електромережевий навантаження

Методи досліджень. Методи математичного моделювання з застосуванням методу скінчених елементів; методи комп'ютерного моделювання з використанням елементів географічних інформаційних систем, експериментальні методи.

Наукова новизна отриманих результатів.

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

установлені характерні дефекти та пошкодження конструктивних елементів повітряних ліній електропередачі та їхній вплив на динамічні властивості електромережевих конструкцій;

розроблені методики побудови тривимірних карт кліматичних навантажень і їхніх графіків розподілу за профілем траси ПЛ, що доводять необхідність диференційованого обліку ожеледно-вітрових навантажень у залежності від місця розташування об'єкта дослідження;

обґрунтована необхідність обліку динамічних навантажень на конструкції опор електромережевих конструкцій при проектуванні і діагностиці;

теоретично та експериментально обґрунтовані методи зі стабілізації елементів ПЛ при дії динамічних навантажень, засновані на застосуванні матеріалів з підвищеними дисипативними властивостями.

Практичне значення отриманих результатів. Матеріали досліджень увійшли в “Атлас кліматичних навантажень на повітряні лінії електропередачі напругою 220 750 кВ. Донецька область”, у якому отримані графіки розподілу навантажень за профілем трас усіх повітряних ліній напругою 220750 кВ, що проходять по території Донецької області.

Розроблена конструкція гірлянди ізоляторів з еластомірною вставкою (патент України №38017A) і запропонований тип армування еластомірних опорних частин передані для практичного здійснення Українському науково-дослідному конструкторсько-технологічному інституту еластомірних матеріалів і виробів (УНДКТІ “ДІНТЕМ”).

Методика натурного обстеження і паспортизації повітряних ліній електропередачі, як єдиної системи, і рекомендації зі стабілізації компонентів ПЛ використані при проведенні робіт з оцінки технічного стану повітряних ліній Міністерства палива й енергетики України.

Економічний ефект від впровадження отриманих результатів склав 310 тис. грн.

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

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

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

статистична обробка інформації, одержаної при обстеженнях, експериментальних випробуваннях, чисельних дослідженнях;

систематизація і науковий аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи викладалися на VII Українській науково-технічній конференції по металевих конструкціях (м. Дніпропетровськ, 2000 р.), на Другому міжнародному науково-практичному семінарі “Практика і перспективи інституційного партнерства” (м. Донецьк, 2001 р.), на 3 і 4 Всеукраїнських науково-практичних конференціях “Вплив вітру на будівлі і споруди” (мм. Донецьк, Макіївка, 1999, 2001 рр.), на V міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини” (м. Одеса, 2001 р.), на X міжнародної науково-технічної конференції “Metal Structures Gdansk 2001” (м. Гданськ, Польща, 2001 р.).

У повному обсязі закінчена дисертаційна робота викладалася на розширеному засіданні кафедри “Металеві конструкції” Донбаської державної академії будівництва і архітектури (травень 2001 р.) і на сумісному засіданні Асоціації кафедр металевих конструкцій вищих навчальних закладів СНД та Української асоціації металевих конструкцій (2001 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 друкованих праць, що відбивають її основний зміст, у тому числі: розділ монографії, патент України та 14 статей у збірниках наукових праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 5 розділів, основні результати і висновки, список використаної літератури (218 найменувань), 5 додатків. Дисертація викладена на 260 сторінках, у тому числі 148 сторінок основного тексту, 22 сторінки списку літератури, 36 повних сторінок з рисунками і таблицями, 53 сторінки додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні результати отримані автором, показані їхня наукова новизна, практичне значення і реалізація.

У розділі 1 аналізуються стан питання і наукові досягнення в галузі вивчення надійності, експлуатаційної надійності і довговічності різних будинків і споруд, у тому числі і електромережевих конструкцій, при дії динамічних навантажень і впливів. Виконано огляд науково-технічної і нормативної літератури за трьома напрямками досліджень: принципи розрахунку і проектування металевих опор ПЛ і ВЕУ; особливості природно-кліматичних навантажень і впливів; методи підвищення експлуатаційної надійності і стабілізації будівельних конструкцій електричних мереж при дії динамічних навантажень.

Методи розрахунку надійності і довговічності будівельних конструкцій, будинків і споруд розглянуті в роботах М.С. Стрєлецького, В.В. Болотіна, Є.В. Горохова, С.Ф. Пічугіна, А.В. Перельмутера, Г. Шпете та ін. Аналіз різних методів, які застосовуються у даний час для розрахунку електромережевих конструкцій, а також аналіз методик кліматологічного забезпечення надійності (роботи С.Я. Княжевської, В.О. Неймана, В.Б. Нарожного, В.А. Пашинського, Р.І. Кінаша, E. Simiu, G. Solari, Е. Cheng і ін.) дозволив зробити наступні висновки: у даний час не існує методики, що дозволяла б визначати кліматичні навантаження на протяжні об'єкти; практично не виконується оцінка впливу мікроклімату в районі будівництва об'єктів електричних мереж.

Питанням оцінки технічного стану, динамічним розрахункам будівельних конструкцій, проблемам динамічного гасіння коливань, у тому числі за допомогою еластомірних матеріалів, присвячені роботи В.М. Шимановського, М.І. Казакевича, В.В. Кулябка, М.О. Микитаренка, О.Л. Закори, T. Wenk, Y. Tamura, P. Mahmoodi, K. Cho та ін. Необхідність урахування динамічних навантажень при явищах аеродинамічної нестійкості та скиданні ожеледі обґрунтована в працях С.М. Шаповалова, Я.В. Назіма. Однак, дотепер не існує методик оцінки динамічних параметрів опор ПЛ; застосування еластомірів у якості віброгасителів не знайшло розповсюдження в електромережевих конструкціях.

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

У розділі 2 виконана оцінка технічного стану і вивчений вплив дефектів та пошкоджень на динамічні властивості металевих опор ПЛ. Намітити основні шляхи удосконалювання металевих опор електромережевих конструкцій можна тільки на підставі аналізу експлуатаційних пошкоджень і статистичних даних відмов об'єктів електричних мереж. Тому, була виконана оцінка технічного стану 409 опор напругою 110-750 кВ, довжина обстежених ділянок ПЛ 235 км.

Відповідно до прийнятої методики обстеженню підлягали поряд з конструкціями опор наступні конструктивні елементи повітряних ліній електропередачі: струмоведучі проводи, грозозахисні троси, гірлянди ізоляторів, з'єднувальна арматура, гасники вібрації і фазові розпірки. Огляд конструкцій виконаний у різних типах місцевості, що відрізняються рельєфом, і в різних за ступенем агресивності типах атмосфери. Причому обстеженню підлягали різні конструктивні типи ПЛ.

За результатами натурного обстеження визначені основні види недосконалостей елементів повітряних ліній, причиною яких є взаємодія конструкцій з вітровим потоком (рис. 1), причому чітко простежується кореляція деяких з них у залежності від топографічних особливостей місцевості (рис. 2, 3). Найбільшу кількість подібних пошкоджень зафіксовано при проходженні ПЛ по локальних височинах.

Для вивчення впливу різних недосконалостей на динамічні параметри баштових опор електричних мереж були проведені чисельні дослідження за допомогою універсального обчислювального комплексу (УОК) “Ліра” v.5.0.3. Вивчався вплив корозійного зносу, погнутостей елементів решітки та відривів останніх від поясів на зміну власних частот коливань башт. Розрахунки виявили несуттєвий вплив подібних пошкоджень на зміну власних частот коливань (рис. 4), так при 35% корозійному зносі елементів опори власні частоти коливань знижуються в середньому на 1012%.

Проведені дослідження дозволили виявити пошкоджуваність основних елементів повітряних ліній і найбільш значимі фактори, що впливають на надійність і довговічність елементів ПЛ: перевищення дійсних природно-кліматичних навантажень над нормативними, відмовлення другорядних елементів, що призводять до виникнення аварійних динамічних навантажень на конструкції опор; корозійно-механічний знос і утомні пошкодження елементів ПЛ при взаємодії елементів повітряної лінії з вітровим потоком.

Резерви несучої здатності в даному випадку можуть бути отримані шляхом уточнення дійсних ожеледно-вітрових і аварійних навантажень та їхнього зниження за допомогою конструктивних заходів зі стабілізації конструкцій.

У розділі 3 подана методика і результати визначення дійсних навантажень на елементи повітряних ліній. У розрахунках будівельних конструкцій кліматичні навантаження і зовнішні впливи являють собою найбільш невизначені величини, що підпорядковуються більшому статистичному розкиду, ніж, наприклад, міцнісні фактори. Тому в питаннях забезпечення надійності вивчення мінливості навантажень має визначальну роль.

Для аналізу метеоданих запропонована методика, що дозволяє зв'язати просторово розподілену інформацію на поверхні (карті) із зовнішньою базою даних. За результатами обробки статистичних даних метеостанцій були побудовані тривимірні електронні карти районування території Донецької області за максимальною швидкістю вітру (рис. 5) і розподіленим навантаженням на провід від ваги ожеледних відкладень і вітру при ожеледі, для різних періодів повторюваності (Т=10, 15, 25, 50, 150 і 500 років) і 2хвилинного інтервалу осереднення на умовну ПЛ (висота розташування центру ваги проводу 10 м, абсолютні відмітки підвіски проводу прийняті однаковими, для місцевості типу А, згідно БНіП “Навантаження і впливи”). Причому навантаження, обчислені за запропонованою методикою, є розрахунковими і не вимагають введення коефіцієнта надійності за навантаженням.

Аналіз отриманих даних дозволив визначити райони, в яких розрахункові величини кліматичних навантажень згідно діючих нормативів занижені, що значно зменшує розрахункову надійність будівельних конструкцій, які експлуатуються у даних місцях.

Фактичний розподіл навантажень за профілем траси повітряних ліній отримано шляхом суміщення тривимірної карти з профілем траси повітряної лінії. На підставі проведених досліджень підготовлено атлас кліматичних навантажень на повітряні лінії електропередачі напругою 220 750 кВ, що проходять по території Донецької області. Для приклада наведемо схему (рис. 5) і навантаження за профілем траси (рис. 6) ПЛ 750 кВ “Донбаська 750 Південнодонбаська Запорізька АЕС”, характерну тим, що проходить практично через всю територію Донецької області з південного заходу на північний схід. На рис. 6 по осі абсцис у масштабі наведене горизонтальне прокладання профілю траси ПЛ з відповідними точками повороту, номера яких відповідають наведеним на схемі траси ПЛ. У знаменнику під номерами точок наведені відповідні значення навантажень у даній точці (див. рис. 6).

Для обліку впливу орографічних особливостей місцевості введений фактор впливу мікрорельєфу , який застосовується у нормах різних країн:

(1)

де: фактор збільшення швидкості вітру над локальними неоднорідностями рельєфу; z висота об'єкта над рівнем землі; x відстань до верхньої точки височини; k, L_h, H, a параметри, що залежать від типу і геометричних розмірів височини.

Перехід до місцевостей В і С за БНіП здійснюється за допомогою понижуючого коефіцієнта k_m рівного 0,7 і 0,47 відповідно.

Тоді середнє значення складової вітрового навантаження на конструкцію опори може бути визначене за формулою:

(2)

де v₀ швидкість вітру з двохвилинним інтервалом осереднення, визначена за запропонованими картами надійності, с аеродинамічний коефіцієнт.

На підставі проведених чисельних досліджень, виконаних для умов пересіченої місцевості Донецького регіону (у розрахунках прийнятий максимальний перепад висот 100 м, максимальний схил до 20⁰), можна зробити наступні висновки. Вплив локальних неоднорідностей рельєфу на елементи повітряних ліній можна не враховувати при: куті схилу менше 5⁰ або при висоті височини до 20 м незалежно від ухилу через незначне збільшення швидкості вітру понад 5 м по висоті; для двох послідовно розташованих височин: при відстані між ними понад 100Н, для випадку НН₀; відстані між ними понад 50Н, для випадку Н>Н₀, де Н, висота височини, на який розташована ПЛ; Н₀ навітряна височина відносно повітряного потоку.

Для оцінки точності використаних розрахункових методів були проведені експериментальні дослідження швидкості вітрового потоку над локальними неоднорідностям рельєфу місцевості за профілем траси ПЛ і на майданчику ВЕС. Виміри швидкості вітрового потоку виконувалися за допомогою анемометрів синхронно, у різних місцях по навітряному схилу. Орієнтація приладів здійснювалася вздовж напрямку вітру з мінімальним відхиленням. Висота установки вимірювального приладу приймалася рівною 10 м при вивченні горизонтального вектора швидкості; 10 і 24 м при вивченні вертикального профілю швидкості.

На рис. 7 подано порівняння коефіцієнта д_V=q*(z)_10/q(z)₁₀, що є відношенням вітрового напору в даній точці над бугром до вітрового напору на рівнині, вимірюваного на висоті 10 м, для бугра з розмірами Н=73 м, L=190 м.

Розбіжність між теоретичними й експериментальними даними склала 1027%.

Наведені вище передумови дозволили створити методику визначення дійсних кліматичних навантажень і впливів з урахуванням впливу орографічних особливостей місцевості, що дозволяє визначати навантаження на елементи ПЛ і ВЕУ з точністю аж до кожної опори.

У розділі 4 наведені результати теоретичних і експериментальних досліджень особливостей динамічної поведінки електромережевих конструкцій при впливі вітру й аварійних навантаженнях від обривів проводів і тросів.

Для уточнення особливостей взаємодії електромережевих конструкцій з вітровим потоком були проведені експериментальні дослідження динамічної поведінки проміжної опори ПЛ 220 кВ висотою 37,9м і опор ветроустановок Новоазовської вітроенергетичної станції, висота яких складає 18,3м. У процесі випробувань фіксувалися як внутрішні параметри споруди (напруження в елементах конструкції, віброшвидкості), так і зовнішні (швидкість і напрямок повітряного потоку), за допомогою універсальної системи моніторингу будівельних конструкцій “УСМК-1”. Частота опитування первинних перетворювачів становила 64 Гц. Збудження коливань конструкцій здійснювалося шляхом впливу вітрового потоку і за допомогою резонансного методу. В результаті проведених експериментів були отримані спектральні залежності коливань даних систем за допомогою швидкого перетворення Фур'є (ШПФ). Аналіз графіків загасання вільних коливань конструкцій дозволив установити логарифмічні декременти загасання і побудувати амплітудно-частотні характеристики (рис. 8). Порівняння логарифмічних декрементів загасання даних конструкцій дозволило зробити висновки про необхідність стабілізації саме опор ВЕУ, у той час як в опорах ПЛ своєрідними демпферами є проводи.

Динамічний розрахунок даних конструкцій провадився за допомогою УОК “Ліра”. Розрахункова схема конструкцій задавалася просторовою з жорстким прикріпленням розкосів до поясів; вплив проводів, тросів і вітроагрегатів ураховувався за допомогою введення відповідних динамічних мас. Вітровій імпульс задавався однаковим за тривалістю амплітуди, що зростає по висоті відповідно до отриманих профілів вітру. Результати проведених теоретичних досліджень власних частот коливань і динамічних складових напружень в елементах конструкцій добре погоджуються з експериментальними даними. Так розбіжність отриманих власних частот коливань складає для опори ПЛ 327%, для опори ВЕУ 12%.

Порівняння отриманих результатів з розрахованими згідно діючих норм показало, що напруження в елементах конструкцій отримані під час проведених досліджень, перевищують розраховані за нормами у середньому на 4-20% для поясів і на 2-7% для розкосів.

Оскільки перевищення дійсних кліматичних навантажень над розрахунковими і незадовільний технічний стан ліній електропередачі призводить до виникнення аварійних ситуацій, були виконані теоретичні й експериментальні дослідження напружено-деформованого стану металевих проміжних опор з підвісними гірляндами ізоляторів при дії динамічних навантажень від обриву проводу.

Запропоновано методику розрахунку опор з використанням УОК “Ліра”. У розрахунку використані наступні допущення: імпульс на конструкцію опори від обриву проводу задавався у вигляді напівхвилі синусоїди, абсолютна величина якого приймалася рівною 1,9 від статичного.

Для урахування підтримуючого впливу від інших проводів і троса розраховувалися статичні сили, що перешкоджають переміщенням опори, які потім вводилися в розрахунок як інерційні динамічні маси.

Виконані розрахунки проміжних баштових опор напругою 110-220 кВ за нормативною методикою і запропонованою, з урахуванням динамічного ефекту зміцнення стали, показують, що отримані напруження перевищують результати, отримані за нормативною методикою в середньому на 22-37%, що свідчить про необхідність урахування динамічних навантажень від обривів проводів при проектуванні опор ліній електропередачі.

Для перевірки запропонованої методики були проведені динамічні випробування при обриві проводу на моделі повітряної лінії 110 кВ, виконаної в масштабі 1:10 на полігоні ДонДАБА. При проведенні експерименту фіксувалися: тяжіння у всіх проводах і тросі біля опори, де провадився обрив провода, за допомогою динамометрів, а також зусилля в підвісних гірляндах ізоляторів за допомогою тензодатчиків опору.

Експериментально отримані форми імпульсу, коефіцієнти динамічності, тяжіння в проводах відрізняються від теоретично розрахованих на 822%. Таким чином, якщо застосування запропонованої методики визначення напружень в елементах баштових конструкцій електричних мереж при динамічному впливі вітру завдає клопоту через недолік статистичної інформації з поривів вітру при значеннях швидкості близьких до розрахункового і вплив останніх несуттєвий (тому що тривалість пориву набагато перевищує періоди перших власних частот коливань конструкції), то при обривах проводів впливом динамічної складової на напружено-деформований стан опор ПЛ з підвісними ізоляторами зневажати не можна.

У розділі 5 наведені запропоновані методики розрахунку й оцінки технічного стану опор ПЛ, а також конструктивні заходи щодо підвищення експлуатаційної надійності повітряних ліній електропередачі при дії природно-кліматичних і аварійних навантажень.

При перерахунку існуючих конструкцій ПЛ 220 кВ “СБ ТЕС Азовська” довжиною 87 км був виконаний облік зміни навантажень за профілем траси з урахуванням мікрокліматичних особливостей місцевості, згідно методики розділу 3, і введений додатковий розрахунковий режим, ураховуючий динамічний імпульс на конструкцію опори від обриву проводу згідно методики, описаної в розділі 4.

Порівняння результатів перерахунку конструкцій проміжних опор за запропонованою методикою з урахуванням розбивки на три рівних за довжиною ділянки, для яких величини кліматичних навантажень приймалися постійними і рівними найбільшому значенню на даній ділянці, і за існуючою методикою “Правил улаштування електроустановок” (ПУЕ), наведені в табл. 1.

Таблиця. 1

Порівняння маси існуючих опор ПЛ і розрахованих відповідно до запропонованої методики

Характеристика конструкції	Кількість опор	Маса однієї опори, кг	Маса всіх опор, т
1. Існуюча конструкція 2. Конструкція, розрахована на дійсні навантаження: 1 ділянка 2 ділянка 3 ділянка	246 82 82 82	5271 6545 5478 4797	1297 537 449 393 1379

Таким чином, застосування запропонованої методики обліку розподілу кліматичних і динамічних навантажень за профілем траси при проектуванні і реконструкції повітряних ліній дозволяє запроектувати конструкції опор ПЛ із заданим рівнем надійності в залежності від району розташування ділянки лінії.

На підставі проведених досліджень була розроблена методика оцінки технічного стану повітряних ліній, основними принципами якої є принципи зонування за однорідністю, що базуються на дослідженнях, наведених у розділі 3; призначення періодичності обстежень у залежності від класу надійності ПЛ і характеристики зони експлуатації; обстеження найбільш навантажених конструкцій ПЛ у зоні; обстеження поряд з будівельними конструкціями опор проводів і другорядних елементів ПЛ. Застосування подібної методики дозволяє звести до мінімуму польові роботи з натурного обстеження при достатньому теоретичному обґрунтуванні. Результати проведених досліджень дозволили сформулювати необхідні характеристики, що повинні входити в паспорт технічного стану повітряної лінії.

Для зниження динамічних імпульсів від струмоведучих проводів на конструкцію опори був запропонований новий тип ізолятора, який містить ізолюючи властивості і властивості що демпфують, одночасно (рис. 9). Ізолятор містить склопластиковий стержень 1 і закріплені на його кінцях металеві окінцевачі 2,3 з приєднувальними елементами 7, 8, покриті захисною оболонкою 4 з діелектричного полімерного матеріалу, між нижнім окінцевачем 3 і приєднувальним елементом 7 уведений вузол, що демпфує, у вигляді двох -подібних скоб 5 - 6, з'єднаних послідовно, з розташованою між ними прокладкою з еластомірного матеріалу 9.

Для оцінки ефективності застосування описаної вище конструкції були проведені лабораторні випробування моделі гірлянди ізолятора, в яку був уведений вузол, що демпфує.

Експеримент складався з двох етапів у залежності від виду навантаженнь, що прикладалися: випробування циклічним вібраційним і імпульсним навантаженням. У процесі випробування досліджувалися віброгасні властивості п'яти еластомірних прокладок у запропонованій конструкції, що відрізняються типом армування і твердістю еластоміру.

До підвішеної гірлянди ізоляторів, через трос передавалося навантаження від привантаження і вібромашини, за допомогою якої збуджувалися коливання системи. Параметрами, що контролювалися, були напруження в гірлянді ізоляторів між демпфером і проводом, і між демпфером і опорою, вимірювані за допомогою тензодатчиків. Параметрами, що варіювалися, були маса при вантаження і частота вібраційного впливу. Аналіз отриманих реалізацій, проведений за допомогою ШПФ показав значне зниження амплітуди і зсув першої власної частоти коливань системи з 6.2 до 5.5 Гц.

При випробуваннях імпульсним навантаженням підвісна гірлянда вводилося в анкерну ділянку, яка складалася з двох прольотів. Імпульсний вплив у даному випадку моделювався за допомогою обриву проводу в одному з прольотів. У процесі обриву вимірялися: момент обриву проводу, тяжіння в тросі біля ізолятора, напруження в стержні ізолятора між демпфером і опорою, а також між демпфером і проводом. Результати експериментальних досліджень показують, що найбільш ефективною є прокладка з мінімальними жорсткісними характеристиками (твердість по Шору 40 о.) без армування (рис. 10).

Використання ізоляторів з подібними демпферами дозволить зменшити перший максимальний імпульс на опору при обриві проводу в середньому на 20%, і знизити частотні й амплітудні характеристики системи.

На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень запропоновані конструктивні заходи з підвищення надійності опор ПЛ при дії динамічних навантажень і впливів. Такими є застосування затискачів, що просковзують, різних демпферів (по типу запропонованої гірлянди ізоляторів) і застосування запобіжних пристроїв.

Загальна висновки

1. Розроблено теоретичні основи і практичні рекомендації з підвищення експлуатаційної надійності баштових опор електромережевих конструкцій при дії кліматичних і динамічних навантажень і впливів.

2. Дослідження технічного стану повітряних ліній електропередачі напругою 110-750 кВ дозволили установити пошкоджуваність їх конструктивних елементів при дії динамічних навантажень і найбільш значимі фактори, що впливають на довговічність: корозійно-механічний знос конструкцій опор; знос струмоведучих проводів, грозозахисних тросів і другорядних елементів повітряних ліній, обумовлений у першу чергу взаємодією елементів ПЛ з вітровим потоком, що приводить до аварійних навантажень на конструкції опор.

3. Запропонована методика побудови тривимірних карт, диференційованих у залежності від періоду повторюваності, і графіків розподілу кліматичних навантажень за профілем траси повітряної лінії з урахуванням впливу орографічних особливостей місцевості, на прикладі Донецької області дозволила визначити фактичні навантаження на елементи ПЛ, прогнозувати ймовірність виникнення надрозрахункових кліматичних навантажень і виявити найбільш аварійно небезпечні ділянки. У результаті проведених розрахунків встановлено, що для 54 % повітряних ліній електропередачі напругою 220750 кВ, що проходять по території Донецької області фактичні кліматичні навантаження перевищують розрахункові.

4. Обґрунтована необхідність урахування динамічних складових вітрового й аварійного навантажень при проектуванні, обстеженні та реконструкції повітряних ліній електропередачі. На підставі проведених розрахунків встановлено, що динамічні складові перевищують зусилля відповідних статичних режимів при урахуванні вітрових імпульсів на 215%, при обриві проводу на 1030%.

5. Експериментально доведена ефективність запропонованої конструкції гірлянди ізоляторів з еластомірною вставкою з властивостями, що демпфують, при дії циклічних і імпульсних навантажень. Застосування подібної конструкції дозволяє знизити максимальний динамічний імпульс в разі обриву провода, на конструкцію опори в середньому на 20%.

6. Розроблена методика натурного обстеження і паспортизації повітряних ліній електропередачі як єдиної системи і рекомендації зі стабілізації і координації міцності компонентів ПЛ використані при проведенні робіт з оцінки технічного стану повітряних ліній Міністерства палива й енергетики України. Економічний ефект від впровадження результатів досліджень склав 310 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Горохов Е.В., Турбин С.В. Изучение метеорологических воздействий на электросетевые конструкции в приземном слое атмосферы// Аэродинамика электросетевых конструкций. Донецк.: Компьютер Норд, 2000. С. 246250.

2. Горохов Е.В., Некрасов Ю.П., Турбин С.В. Некоторые проблемы исследования взаимодействия приземного слоя атмосферы с электросетевыми конструкциями // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2000 г. № 2000-1 (21). С. 1113.

3. Горохов Е.В., Турбин С.В., Бакаев С.Н., Бусько М.В. Исследование ветрового потока над локальными неоднородностями рельефа местности // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2001 г. № 2001-4 (29). С. 1318.

4. Горохов Е.В., Шевченко Е.В., Васылев В.Н., Некрасов Ю.П., Турбин С.В., Сапронов Ю.В., Удахин С.А., Бусько М.В. Исследование работы высоковольтной линии электропередачи как единой конструктивной системы на модели // Сб. науч. трудов “Современные конструкции из металла и древесины”. Одесса: ОГАСА. 2001. С. 68-74.

5. Турбин С.В. Определение ветровых нагрузок на воздушные линии с использованием элементов ГИС // Современные проблемы строительства. Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО “Лебедь”. 2000. Том. 1. С. 103-107.

6. Турбин С.В. Применение эластомерных материалов для стабилизации конструкций электросетевого строительства // Вестник ДонГАСА. 2001. № 2001-1 (26). С. 8184.

7. Пат. 38017A України, МПК: Н 01 В 17/02. Ізолятор / Горохов Є.В., Хорольський М.С., Казакевіч М.І., Назім Я.В., Турбін С.В.; ДонДАБА (Україна). № 2000052807; Заяв. 17.05.2000; Опубл. 15.05.2001. Бюл. №4.

Праці, що додатково відбивають результати досліджень:

8. Горохов Е.В., Назим Я.В., Бакаев С.Н., Турбин С.В., Хорольский М.С. Исследования динамических характеристик опор ВЛ в уровне обреза фундаментов при пульсации ветрового потока // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 1999 г. № 99-6 (20). С. 4955.

9. Горохов Е.В., Назим Я.В., Бакаев С.Н., Турбин С.В., Хорольский М.С., Скоков А.И. Натурное освидетельствование ВЛ 220-330 кВ в сложных микроклиматических условиях, обусловленных рельефом местности// Труды VII Украинской научно-технической конференции по металлическим конструкциям. Днепропетровск: ОАО “ЗМК им. И.В. Бабушкина”. 2000. С. 195 198.

10. Горохов Е.В., Назим Я.В., Турбин С.В. Восстановление работоспособности опор ВЛ с демонтированными элементами// Труды VII Украинской научно-технической конференции по металлическим конструкциям. Днепропетровск: ОАО “ЗМК им. И.В. Бабушкина”. 2000. С. 199 202.

11. Горохов Е.В., Сапронов Ю.В., Турбин С.В., Нарожный В.Б. Методика определения климатических нагрузок на протяженные объекты // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2001 г. № 2001-4 (29). С. 2936.

12. Горохов Е.В., Турбин С.В., Бакаев С.Н., Бусько М.В. Использование элементов ГИС-технологий при определении климатических нагрузок на объекты электросетевого строительства // Материалы второго международного научно-практического семинара “Практика и перспективы институционного партнерства”. Донецк: ДонГТУ. 2001. №1. С. 216 222.

13. Горохов Е.В., Югов А.М., Некрасов Ю.П., Турбин С.В. Методические вопросы расчета элементов воздушных линий электропередачи на ветровую нагрузку // Сборник научных трудов “Современные конструкции из металла и древесины”. Одесса: ОГАСА. 2001. С. 61-67.

14. Horokhov Ye.V., Bakayev S.N., Turbin S.V., Bus'ko M.V. The analysis of Power Transmission Lines Elements Failures Under Dynamic Loads // Proc. of X^th International Sc.-Tech. Conf. “Metal Structures Gdansk 2001” Gdansk (Poland). 2001. Vol. III. P. 39-46.

Особистий внесок автора в даних публікаціях:

У [1-2] виконана постановка задач досліджень і розробка технічних вимог до системи моніторингу будівельних конструкцій, у [3, 9, 11, 12, 14] розробка методик, безпосередня участь в чисельних і експериментальних дослідженнях, обробка отриманих результатів та їхній аналіз, у [4] розробка методики й особиста участь у проведенні експериментальних досліджень, у [7] розробка вузла, що демпфує, у [8] розробка рекомендацій зі стабілізації, у [10] участь у проведенні натурних обстежень електромережевих конструкцій і обробці отриманих результатів, у [13] запропонована методика і виконано розрахунок конструкції на вітрове навантаження і аналіз отриманих результатів.

Анотація

Турбін С.В. Динамічні впливи на електромережеві конструкції та їх урахування при проектуванні і експлуатації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2001.

Дисертація присвячена дослідженню ступеня впливу кліматичних й аварійних навантажень і впливів на експлуатаційну надійність баштових споруд повітряних ліній електропередачі та вітроенергетичних установок з урахуванням їх конструктивних особливостей і умов роботи. Розроблено методику побудови тривимірних карт районування території і графіків розподілу кліматичних навантажень за профілем траси повітряної лінії. Виконані експериментальні та чисельні дослідження напружено-деформованого стану конструкцій баштових опор електричних мереж дозволили обґрунтувати необхідність урахування динамічного характеру навантажень, пов'язаних із дією вітру та обривами проводів і тросів при проектуванні та експлуатації. Запропоновано конструктивні пропозиції з підвищення експлуатаційної надійності електромережевих конструкцій, які засновані на принципах стабілізації і координації міцності, що дозволяють суттєво знизити динамічні імпульси на баштові опори електричних мереж.

Ключові слова: повітряні лінії електропередачі, вітроенергетичні установки, динамічні навантаження та впливи, експлуатаційна надійність, напружено-деформований стан, моделювання, динамічна поведінка, еластомірний демпфер.

Аннотация

Турбин С.В. Динамические воздействия на электросетевые конструкции и их учет при проектировании и эксплуатации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2001.

Диссертация посвящена исследованию степени влияния климатических и аварийных нагрузок и воздействий на эксплуатационную надежность башенных сооружений воздушных линий электропередачи и ветроэнергетических установок с учетом их конструктивных особенностей и условий работы.

Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные результаты полученные автором, показаны их научная новизна, практическое значение и реализация.

В разделе 1 выполнен обзор научно-технической и нормативной литературы по трем направлениям исследований: принципы расчета и проектирования металлических опор воздушных линий электропередачи и ветроэнергетических установок; особенности природно-климатических нагрузок и воздействий; методы повышения эксплуатационной надежности и стабилизации строительных конструкций электрических сетей при действии динамических нагрузок. На основании обзора сформулированы основные направления исследований.

В разделе 2 выполнена оценка технического состояния и изучено влияние дефектов и повреждений на динамические свойства металлических опор воздушных линий электропередачи. Определены наиболее значимые факторы, влияющие на надежность и долговечность воздушных линий: превышение действительных природно-климатических нагрузок над расчетными, отказы второстепенных элементов, которые приводят к возникновению аварийных динамических нагрузок на конструкции опор; коррозионно-механический износ и усталостные повреждения элементов воздушных линий при взаимодействии элементов воздушной линии с ветровым потоком.

В разделе 3 разработана методика построения трехмерных карт, дифференцированных в зависимости от периода повторяемости, и графиков распределения климатических нагрузок по профилю трассы воздушной линии с учетом влияния орографических особенностей местности. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, на примере Донецкой области позволили определить фактические нагрузки на элементы воздушных линий, прогнозировать вероятность возникновения сверхрасчетных климатических нагрузок и выявить наиболее аварийно опасные участки.

В разделе 4 выполнены экспериментальные и теоретические исследования динамического поведения башенных опор воздушных линий электропередачи и ветроэнергетических установок при ветровом воздействии и опор воздушных линий при действии аварийных нагрузок от обрывов проводов. Обоснована необходимость учета динамических составляющих ветровой и аварийной нагрузок при проектировании, обследовании и реконструкции воздушных линий электропередачи.

В разделе 5 разработаны методики расчета и оценки технического состояния опор воздушных линий электропередачи, с учетом динамического характера ветровых и аварийных нагрузок. Предложены конструктивные мероприятия по повышению эксплуатационной надежности опор воздушных линий и ветроэнергетических установок при действии динамических нагрузок основанные на принципах координации прочности и стабилизации электросетевых конструкций, в том числе экспериментально доказана эффективность предложенной гирлянды изоляторов с демпфирующей вставкой.

Ключевые слова: воздушные линии электропередачи, ветроэнергетические установки, динамические нагрузки и воздействия, эксплуатационная надежность, напряженно-деформированное состояние, моделирование, динамическое поведение, эластомерный демпфер.

Abstract

Turbin S.V. Dynamic influences on power network structures and their estimation under designing and operation. - Manuscript.

The Thesis for the Candidate's Degree Competition, Speciality 05.23.01 - Engineering Structures, Buildings and Constructions. - The Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of the Ukraine, Makeyevka, 2001.

The thesis deals with the investigation of the impact degree of climatic and emergency loads and influences on the serviceability of tower-like structures of power transmission lines and wind turbines with their structural peculiarities and ope-rating conditions taken into consideration. The principles of construction of three-dimensional climatic maps and climatic loads distribution graphs on path profile of power transmission line are elaborated. The performed experimental and numerical investigations of deflected mode of the power network tower-like structures have proved the necessity of taking into account the dynamic character of loads connected with the wind and conductor breakage effects under designing and operation. The structural suggestions with the stabilization and strength coordination principles for power network structures serviceability increasing are offered. Using of the suggestions is allowed to decrease the dynamic impulses on tower-like structures of power transmission lines.

Keywords: power transmission lines, wind turbines, dynamic loads and influences, serviceability, deflected mode, simulation, dynamic behaviour, elastomeric dumper.

Размещено на Allbest.ru

...