Оцінка та забезпечення безпеки електромережевих конструкцій, що експлуатуються

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна академія будівництва і архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Оцінка та забезпечення безпеки електромережевих конструкцій, що експлуатуються

Шеліхова Олена Вікторівна

Макіївка - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі металевих конструкцій Донбаської державної 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 “Металеві конструкції”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пічугін Сергій Федорович, Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, завідувач кафедри “Конструкції з металу, дерева і пластмас”;

кандидат технічних наук, доцент Єрмак Євген Михайлович, Українська державна академія залізничного транспорту (м. Харків), доцент кафедри “Будівлі і мости”.

Провідна організація: ВАТ “Український науково-дослідний і проектний інститут “УкрНДІпроектстальконструкція ім. В.М. Шимановського”, відділ науково-технічного розвитку, м. Київ.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент А.М. Югов

Анотація

металоконструкція електромережевий будівництво

Шеліхова О.В. Оцінка та забезпечення безпеки електромережевих конструкцій, що експлуатуються. - 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, 2003.

Дисертаційна робота присвячена теоретичному та експериментальному обґрунтуванню можливості розрахункової оцінки показників безпеки експлуатованих електромережевих конструкцій за даними натурних обстежень для забезпечення їх інженерного і страхового захисту. У роботі проведений аналіз методів оцінки надійності і безпеки електромережевих конструкцій на всіх етапах життєвого циклу. Обґрунтовано можливість розрахункової оцінки показників безпеки на основі аналітичного апарату теорії нечітких множин, що дозволяє враховувати інформацію якісного характеру про оцінку технічного стану у формалізованих процедурах аналізу ризику. Встановлено граничні значення конструктивних ризиків 1,462...1,8 для різних за рівнем економічного і соціального збитку електромережевих об'єктів. Викладено результати експериментальної перевірки розробленої методики, виконаної при випробуванні опор ПЛ на Полігоні випробувань опор ліній електропередачі і баштових споруд ДонДАБА. Розроблено методику визначення залишкового ресурсу електромережевих конструкцій при встановлених показниках ризику. Наведено алгоритмічний опис задачі визначення залишкового ресурсу опор ПЛ. Розроблено систему корегувальних коефіцієнтів до страхових тарифів, що забезпечує реальне співвідношення “ризик - витрати на безпеку”. Річний економічний ефект від впровадження розробленої методики складає 160 грн/тн конструкцій.

Ключові слова: опори повітряних ліній електропередачі, надійність, безпека, конструктивний ризик, натурне освідчення, напружено-деформований стан, залишковий ресурс, страховий тариф.

Аннотация

Шелихова Е.В. Оценка и обеспечение безопасности эксплуатируемых электросетевых конструкций. - 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, 2003.

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию возможности расчетной оценки показателей безопасности эксплуатируемых электросетевых конструкций по данным натурных обследований для обеспечения их инженерной и страховой защиты.

В работе проведен анализ методов оценки надежности и безопасности электросетевых конструкций на всех этапах жизненного цикла. Отмечено, что в силу разнообразия конструктивных схем, величины и вида прилагаемой нагрузки, самих несовершенств, не представляется возможным предложить единые количественные критерии безопасности на основе статистического анализа несовершенств. Обоснована возможность расчетной оценки показателей безопасности на основе аналитического аппарата теории нечетких множеств, позволяющего учитывать информацию качественного характера об оценке технического состояния в формализованных процедурах анализа риска. Установлены предельные значения конструктивных рисков 1,462…1,8 для различных по уровню экономического и социального ущерба электросетевых объектов, характеризующие предельное снижение определяющих параметров конструктивных элементов в условиях длительной эксплуатации.

Изложены результаты экспериментальной проверки разработанной методики, выполненной при испытании опор ВЛ на Полигоне испытаний опор линий электропередачи и башенных сооружений ДонГАСА. Расхождения результатов численных исследований влияния несовершенств на параметры напряженного состояния с учетом коэффициента риска и выполненные по нормативной методике не превышают 2-3 %; с экспериментальными данными 3-8%.

Разработана методика определения остаточного ресурса электросетевых конструкций при установленных показателях риска. Приведено алгоритмическое описание задачи определения остаточного ресурса опор ВЛ. Разработанный алгоритм позволяет оценить промежуток времени до достижения предельных значений риска. Предложенная методика служит для планирования мероприятий по устранению конструктивных рисков в рамках разработки программы обеспечения надежности (ПОНэ) и обоснования целесообразных сроков страхования ВЛ.

Разработана система корректировочных коэффициентов к страховым тарифам, обеспечивающая реальное соотношение “риск - затраты на безопасность”. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной методики составляет 160 грн/тн конструкций.

Ключевые слова: опоры воздушных линий электропередачи, надежность, безопасность, конструктивный риск, натурное освидетельствование, напряженно-деформированное состояние, остаточный ресурс, страховой тариф.

Summary

Y.V. Shelikhova. Estimation and ensuring safety of electrical supply network constructions in operation . - Manuscript.

The thesis for award of the academic degree of the Candidate of Science (Engineering), speciality 05.21.01 - “Building constructions, buildings and structures”. - Donbass State Academy of Building and Architecture (Ministry of Education and Science of Ukraine), Makeevka, 2003.

The said thesis is dedicated to the theoretical and experimental substantiation of the possibility to carry out design estimation of safety indices for electrical supply network constructions in operation, based on the data of field observation. The work presents the algorithm, developed on the basis of analytical mechanism of fuzzy sets' theory, for design estimation of risk factor due to existing defects and damages in the elements of construction. The limiting values of design risk factor (1,462 … 1,8) have been determined for supports of overhead transmission lines. The work also presents the procedure developed for determination of the residual life of electrical network constructions in case of determined risk indices. The author gives recommendations as regards methods of controlling safety of constructions based on the principles of economic responsibility.

Key words: supports of overhead transmission lines, reliability, safety, design risk, field observation, strained state, residual life, insurance rate.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Аналіз практики експлуатації електромережевих конструкцій свідчить про те, що нагромадження недосконалостей в елементах у процесі експлуатації є однією з найважливіших причин виникнення передаврійних і аварійних станів. Складність описання показників пошкодженості обумовлює можливість лише якісної оцінки технічного стану. Разом з тим підвищення вимог до безпеки експлуатованих конструкцій, що розробляються у відповідності до нормативних документів МЕК (Міжнародної електротехнічної комісії), потребує розробки нормативної бази безпеки та методики розрахункової оцінки її показників за результатами натурних обстежень. Питання безпеки експлуатації електромережевих конструкцій нерозривно пов'язані з оцінкою їхнього залишкового ресурсу. Потреба у вирішенні зазначених питань викликана поширенням сфери застосування результатів оцінки технічного стану на ринку проектно-будівельних послуг. Введення в будівельну практику принципів нормування конструктивної безпеки електромережевих об'єктів дозволить знизити тягар наслідків аварій, надати власникам ліній гарантії якості на всіх стадіях життєвого циклу конструкцій, планувати заходи щодо запобігання аварій техногенного характеру.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи “Удосконалення формоутворення металоконструкцій на основі діагностики і моніторингу залишкового ресурсу, економіко-математичне моделювання режиму експлуатації будівель і споруд” (№ держреєстрації 0101U004769), спрямованої на виконання Постанови КМУ № 1198 від 03.08.1998 р. “Про єдину державну систему запобігання і реагування на надзвичайні ситуації техногенного та природного характеру (ЄДС НС)”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методики розрахункової оцінки конструктивних ризиків експлуатованих металоконструкцій електромережевого будівництва для забезпечення їх інженерного і страхового захисту.

Поставлена мета досягається рішенням наступних задач:

розробка структури показників конструктивної безпеки і принципів їхнього нормування;

вибір і обґрунтування розрахункової моделі конструктивного ризику за даними натурних обстежень;

розробка методики визначення залишкового ресурсу електромережевих конструкцій при визначеному показнику ризику аварії;

розробка принципів побудови тарифікаційної моделі страхування конструктивних ризиків.

Об'єкт дослідження - металеві баштові опори повітряних ліній електропередачі (ПЛ).

Предметом дослідження є механізм забезпечення інженерного і страхового захисту електромережевих конструкцій на основі визначення ризику за даними натурних обстежень.

Методи досліджень. В основу досліджень покладені методи математичного моделювання; методи теорії ризику; теорії нечітких множин; метод кінцевих елементів, чисельна реалізація якого виконана на основі програмного комплексу “LIRA-Windows 5.0.3”.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дослідження складають:

математична модель для розрахунку конструктивних ризиків металевих опор ПЛ за матеріалами оцінки технічного стану;

теоретичне та експериментальне обґрунтування припустимих значень конструктивних ризиків, що визначають граничне зниження несучої здатності елементів опор, обумовлене зміною геометричних, жорсткістних і механічних характеристик з появою і розвитком недосконалостей;

методика визначення залишкового ресурсу електромережевих конструкцій при встановлених показниках ризику;

розроблені економічні принципи регулювання конструктивної безпеки експлуатованих споруд на основі експертної оцінки ризику.

Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень призначені для:

підвищення вірогідності якісної оцінки технічного стану електромережевих конструкцій шляхом розробки математичного апарату оцінки показників безпеки за даними натурних обстежень;

кількісної оцінки конструктивних ризиків у випадках визначення експлуатаційних властивостей при приватизації, купівлі-продажу, визначенні умов страхування електромережевих об'єктів;

створення механізму своєчасного фінансування і планування ремонтно-відновлювальних робіт із забезпечення надійної і довговічної роботи ПЛ.

Впровадження результатів роботи. Матеріали досліджень увійшли до нормативного документу “Методичні вказівки з оцінки конструктивних ризиків для здійснення інженерного і страхового захисту будівельних конструкцій будівель, споруд та інженерних мереж”, затвердженого наказом начальника територіального Управління Держнаглядохоронпраці по Донецькій області № 197 від 12.05.2000 р.

Запропоновані способи забезпечення безпеки споруд використані при виконанні робіт з реконструкції на підприємствах національної енергетичної компанії “Укренерго”. Річний економічний ефект від впровадження результатів досліджень складає 160 грн/тн конструкцій.

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

проведено теоретичні і чисельні дослідження, що дозволяють обґрунтувати математичну модель коефіцієнта ризику на основі експертної інформації про наявні дефекти та ушкодження елементів опор ПЛ;

розроблено методику визначення залишкового ресурсу сталевих опор ПЛ при визначених показниках ризику;

систематизовано і проведено науковий аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній конференції “Теорія і практика металевих конструкцій” (Донецьк-Макіївка, 1997 р.), другій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Аварії будівель і споруд та заходи їхнього запобігання” (Київ, 1999 р.), регіональній нараді “Моніторинг технічної безпеки і забезпечення безаварійної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж”, (Макіївка, 2000 р.), науковій конференції “Будівлі та споруди із застосуванням нових конструкцій і матеріалів (розрахунок, проектування, технологія, організація зведення і реконструкції)” (Донецьк-Макіївка, 2002 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 друкованих праць, що відбивають її основний зміст, у тому числі 1 нормативний документ, 8 статей у науково-технічних журналах і збірниках наукових праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з введення, чотирьох основних розділів, результатів і висновків, списку використаної літератури (153 найменування) і двох додатків. Робота викладена на 157 сторінках, у тому числі 121 сторінок основного тексту, 16 сторінок списку літератури, 21 повних сторінок з рисунками і таблицями, 26 сторінок додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення і галузь реалізації.

У розділі 1 виконаний огляд методів оцінки надійності будівельних конструкцій на різних етапах життєвого циклу. Розробці теоретичних і практичних основ забезпечення надійності будівельних конструкцій присвячені роботи багатьох вітчизняних і закордонних дослідників: М.С. Стрєлецького, В.В. Болотіна, О.Р. Ржаніцина, В.Д. Райзера, В.М. Гордєєва, Є.В. Горохова, В.П. Корольова, В.П. Мущанова, А.В. Перельмутера, В.О. Пермякова, С.Ф. Пічугіна, А.В. Сільвестрова, С.М. Шаповалова, Є.В. Шевченка, В.М. Шимановського, Є.М. Єрмака, М. Майєра, Г. Аугусті, та ін.

Методи розрахунку надійності будівельних конструкцій засновані на передумові, що система може знаходитися тільки в двох станах: відказ і безвідказна робота. Однак в умовах тривалої експлуатації наявні недосконалості в елементах конструкції обумовлюють деяку розмитість границі між працездатним і непрацездатним станом, знижуючи рівень безпеки експлуатації. Необхідність визначення чисельної міри безпеки викликана розширенням сфери застосування результатів оцінки технічного стану конструкцій на ринку проектно-будівельних послуг (визначення експлуатаційних властивостей при купівлі-продажу, приватизації, визначення умов страхування об'єкта та ін.).

Підходи до оцінки безпеки будівельних систем з позицій теорії ризику представлені в роботах Я.М. Айзенберга, О.П. Сініцина, А.Г. Ройтмана, В.С. Ситника та ін. Розробці математичного апарату аналізу ризику присвячені праці О. Дітлевсена, Д. Блоклі, Н. Лінда та ін. Постановка задачі оцінки конструктивної безпеки виконана в роботах Г. Аугусти, А.П. Мельчакова, А.В. Перельмутера: для заданої конструкції при відомих зовнішніх впливах необхідно визначити границі зміни вхідних параметрів системи (геометричних характеристик і розрахункових властивостей матеріалу).

Дослідженню дійсної роботи електромережевих конструкцій зі зниженими експлуатаційними показниками присвячені роботи І.Г. Барга, Є.В. Горохова, А.В. Сильвестрова, С.М. Шаповалова, Є.В. Шевченка, С.М. Бакаєва, Я.В. Назіма, М.Є. Самойленка, С.В. Турбіна та ін. Відзначено, що в силу різноманітності конструктивних схем, величини і виду прикладеного навантаження, самих недосконалостей, неможливо запропонувати єдині кількісні критерії працездатності при корозійному зносі, скривленні елементів та ін. на основі статистичного аналізу недосконалостей. Разом з цим залишається нереалізованим апарат теорії нечітких множин, розроблений у працях Л. Заде, С. Осуга, С.О. Орловського, котрий дозволяє враховувати інформацію якісного характеру про наявні дефекти та ушкодження у формалізованих процедурах аналізу ризику. Можливість застосування положень теорії нечітких множин в задачах будівельного проектування досліджена в роботах В.П. Малкова, Ю.М. Почтмана, А.М. Югова.

Виходячи з аналізу робіт в галузі оцінки надійності і безпеки, сформульовані наступні теоретичні передумови оцінки конструктивних ризиків: ризик аварії може бути представлений коефіцієнтом зниження несучої здатності, закладеної в проект для бездефектного елемента; оцінка конструктивного ризику елементів зводиться до аналізу і ранжирування наявних дефектів і ушкоджень; вплив сукупності недосконалостей на зміну зусиль в елементах конструкції може бути враховане з використанням апарату теорії нечітких множин.

У розділі 2 розроблена методика розрахункової оцінки конструктивних ризиків електромережевих конструкцій за даними натурних обстежень. При цьому зниження несучої здатності елементів, обумовлене зміною механічних і геометричних характеристик в процесі експлуатації, характеризується коефіцієнтом конструктивного ризику:

_, (1)

де A_q - коефіцієнт ризику аварії; P_п - величина несучої здатності, закладеної в проект для бездефектного елемента конструкції; P_д - величина несучої здатності конструктивного елемента з недосконалостями; k - коефіцієнт, що характеризує відносну якість елемента.

Для визначення граничних значень конструктивного ризику отримана відповідна диференціальна функція розподілу щільності імовірностей випадкової величини A_q в інтервалі 1;. Отриманий закон розподілу є теоретичною основою нормування коефіцієнта конструктивного ризику. За граничне значення коефіцієнта конструктивного ризику прийняте значення моди Х_m(A_q)=1,8, що відповідає втраті несучої здатності елемента.

Відповідно до прийнятої класифікації електромережевих об'єктів за розмірами потенційного матеріального і соціального збитку, пов'язаного з припиненням експлуатації, на основі теорії лінгвістичних змінних визначені граничні значення ризику аварії для кожного класу конструкцій. За підставу лінгвістичної змінної прийняте відношення моди до математичного очікування ризику аварії (2), а як чисельний аналог лінгвістичної змінної приймається ряд натуральних чисел n=0;1;2;...,n.

(2)

Отримані значення граничних конструктивних ризиків наведені в таблиці 1.

Підставою для оцінки ризику служать матеріали натурного освідчення конструкцій (первинна експертна інформація). Параметрами конструктивних елементів, обумовленими в процесі освідчення, є фактичні розміри елементів, з'єднань і зварових швів, відхилення від проектного положення, скривлення елементів, ступінь корозійного зносу матеріалів та ін. Оцінка впливу недосконалостей на несучу здатність вимагає перетворення первинної експертної інформації (ПЕІ) у величини, що визначають напружено-деформований стан конструктивних елементів (A_n, W_nmin, I_xn, I_yn, S_n).

Таблиця 1. Граничні значення конструктивних ризиків для елементів опор ПЛ

Характеристика об'єкту	Параметр n
Об'єкти розподільних мереж 110-150 кВ всередині окремих енергорайонів	0	1,00	1,800
Об'єкти магістральних електричних мереж 220 кВ і вище системного і регіонального значення	1	0,90	1,620
Вкрай відповідальні електромережеві об'єкти, що забезпечують видачу потужності АЕС	2	0,81	1,458

Для оцінки впливу дефектів і ушкоджень на зміну несучої здатності елемента запропонована математична модель, заснована на застосуванні основних положень теорії нечітких множин (3). Запропонована модель дозволяє при відсутності вибірки статистичних даних оцінити ступінь належності параметру, що визначає несучу здатність елемента, його проектному значенню, прийнятому за одиницю й оцінити ступінь впливу зміни цього параметру на якість елемента:

(3)

де f(u) - значення функції належності визначального параметру проектному значенню; u_д - дійсне значення визначального параметру; u_п - значення визначального параметру, що встановлюється відповідно до вимог проектних (нормативних) документів; u_пр - граничне значення визначального параметру, перевищення якого веде до відказу; r - параметр, що визначає ранг дефекту за ступенем його впливу на несучу здатність елемента.

Значення параметру r залежить від ступеня видалення проектного значення визначального параметру від граничного і визначається залежністю (4):

, (4)

де для елементів, що працюють на розтягання; - на стиск. R_y, R_u - розрахункові опори сталі за границею текучості і за тимчасовим опором, прийняті у відповідності до СНиП II-23-81*.

Використовуючи математичні операції перетинання й об'єднання нечітких множин, отримані розрахункові правила для визначення конструктивного ризику елементів опор. При цьому враховано різний ступінь впливу на формування аварійного стану елемента зміни геометричних характеристик (параметрів з індексом “s”) і розрахункових властивостей матеріалу (параметрів з індексом “m”). Послідовність етапів обчислення коефіцієнту конструктивного ризику для елементів опор ПЛ за результатами натурного освідчення представлена в таблиці 2.

Таблиця 2. Етапи розрахункової оцінки конструктивного ризику

№ п/п	Етап діагностики t-того конструктивного елемента	Результат виконання етапу
1	Добір матеріалів обстеження (первинної експертної інформації)	Xit=Xitm ;Xits
2	Перетворення ПЕІ у визначальні параметри НДС	uit=uitm ;uits
3	Визначення ступенів належності визначальних параметрів проектним значенням	f(uit)=f(uit)m;f(uit)s
4	Оцінка ступеня бездефектності t-того конструктивного елемента за групами “m” і “s”
5	Оцінка ризику t-того конструктивного елемента за вирішальним правилом згортки

Для прогнозування конструктивного ризику всієї споруди використані правила побудови ациклічного неорієнтованого графу типу “дерево”. Досліджувана споруда представляється набором окремих підсистем, що складаються з ряду конструктивних елементів, які виконують певну функцію в конструктивній схемі об'єкту. Форма “дерева відмов” повторює геометричну схему споруди. Для кожного ланцюга графу вказується значення конструктивного ризику, що дозволяє наочно охарактеризувати технічний стан кожної підсистеми і системи в цілому. Коефіцієнт конструктивного ризику споруди визначається відповідно до залежності (5). Урахування ступеня відповідальності елемента в системі виконується за допомогою коефіцієнта _n, _, що визначається в залежності від виду розрахункової ситуації, групи граничних станів і типу відказу.

, (5)

де А_q - коефіцієнт конструктивного ризику споруди; A_qt - значення коефіцієнта конструктивного ризику t-того елемента; _n - коефіцієнт, що враховує категорію дефекту і значимість елемента в складі споруди (0,91,025); n- число елементів, що складають систему.

Експериментальна перевірка достовірності розробленої методики виконана на Полігоні випробувань опор ліній електропередачі і баштових споруд ДонДАБА. При випробуваннях чотирьохланцюгових опор MC30E12 і L60E12 для контролю дійсного напруженого стану окремих елементів і вузлів використовувалася тензометрична система “СІІТ-2”, розрахована на підключення до 1000 тензодатчиків на опору.

Відповідно до програми випробувань виконувався перерахунок опор, що випобовувалися із застосуванням спеціалізованого програмного комплексу розрахунку стержневих конструкцій KRASS за всіма розрахунковими схемами навантаження. При обстеженні опор, що зруйнувалися під час випробувань, було відзначено, що в опорі L60E12 руйнування відбулося через відказ поясу в середній панелі вище стикового вузла, а в опорі МС30Е12 - розкосини в нижній панелі. В результаті дослідження факторів, які впливають на несучу здатність елементів, що відказали, були виділені: порушення розмірних допусків по товщині поличок і розмалковці горячокатаних рівнополичкових кутників; непередбачена проектом заміна профілю пояса вище стикового вузла; непередбачені стикові з'єднання в розкосинах. В результаті чисельних досліджень отримані залежності для уточнення дійсних напруг в елементах опор при визначених показниках ризику:

(6)

, (7)

де _д - дійсні напруги в елементі; _п - напруги за проектом; A_q - коефіцієнт конструктивного ризику; u_п; u_пр; u_д - відповідно проектне, граничне і дійсне значення визначальних параметрів для відповідного виду напружено-деформованого стану.

Таблиця 3. Порівняння експериментальних даних з теоретичними результатами

Ескіз	Параметр	Значення за проектом	Значення у відповідності до перерахунку за нормативною методикою	Теоретичні результати за запропонованою методикою	Коефіцієнт ризика Aq
				дійсні значення	граничні значення
Пояс опори L60E12 Ry=230 МПа; Ru=355 МПа
	А, см2	34,4	32,5	32,5	32,1	1,814
	е, см	-	0,62	0,62	1,47
	N, кН	1071,0	673,6	673,6	690,0
	, МПа	210	378	356	355
Розкосина опори МС30E12 Ry=230 МПа; Ru=355 Мпа
	А, см2	13,9	9,45	9,45	9,05	1,805
	N, кН	107,3	110,35	150,3	164,2
	, МПа	150,3	226,0	227,0	230,0

Розбіжність результатів розрахунку зусиль в елементах опор з використанням методу частинних коефіцієнтів надійності і з використанням запропонованої методики оцінки коефіцієнта ризику (таблиця 3), складає не більш 2-3%, з експериментальними даними 3-8%.

В розділі 3 викладені методика і результати визначення залишкового ресурсу електромережевих конструкцій при встановлених показниках ризику аварії. Відповідно до міжнародних стандартів якості ІSО 9001/МЕК 300-1, визначення залишкового ресурсу здійснюється відповідно до встановлених закономірностей зміни визначальних параметрів, отриманих при аналізі механізмів розвитку ушкоджень і за результатами визначення функціональних показників споруди.

Найбільш значимими факторами, що впливають на надійність і довговічність ПЛ є: перевищення кліматичних навантажень над розрахунковими і корозійний знос елементів опор. До того ж, якщо ожеледні навантаження як фактор ризику знижуються за допомогою плавки ожеледі до безпечного рівня, а імовірність обриву проводів і тросів досить мала, найбільш небезпечним є вітрове навантаження. В основу розрахункової оцінки залишкового ресурсу електромережевих конструкцій покладена умова рівнозабезпечення: імовірність неперевищення вітровим навантаженням W граничного значення за встановлений проміжок часу до досягнення аварійного стану t (залишковий ресурс) не повинна бути нижче імовірності неперевищення W за розрахунковий термін служби лінії t (W < W).

У випадках варіації навантаження і міцності відповідно до рекомендацій стандарту МЕК і класифікації ПЛ за класами надійності визначені імовірності неперевищення вітрових навантажень над граничними (імовірність безвідмовної роботи) для різних категорій стану ПЛ (таблиця 4).

Таблиця 4. Імовірність безвідказної роботи для категорій стану ПЛ

Клас об'єкту	Категорії стану
	нормальний	задовільний	обмежено працездатний	аварійний
ВЛ 400-750 кВ	Р 0,95	0,9394 Р 0,95	0,87 Р 0,9394	Р 0,87
ВЛ 220-330 кВ	Р 0,85	0,812 Р 0,85	0,629 Р 0,812	Р 0,629
ВЛ 35-110 кВ	Р 0,61	0,534 Р 0,61	0,123 Р 0,534	Р 0,123

Період повторюваності граничних навантажень (Т) та імовірність безвідказної роботи (Р_s) визначаються відповідно (8) і (9):

(8)

, (9)

де V_lim - швидкість вітру, що відповідає граничному для конструкції вітровому тиску за даними метеостанції в районі проходження лінії; t_c - термін служби конструкції; c і d - параметри випадкового процесу на даній метеостанції.

Методика визначення залишкового ресурсу проілюстрована на прикладі ПЛ 110 кВ “Зугрес - Єнакієве”, яка введена в експлуатацію в 1955 році. За результатами натурного освідчення опор зафіксоване повсюдне порушення цілісності покриття, що приводить до розвитку суцільної поверхневої корозії металу. Глибина корозійної поразки елементів опор досягає значень 0,50,95 мм (з урахуванням однієї грані елемента). Відзначаються одиничні локальні механічні ушкодження (скривлення; відриви елементів ґрат та ін.). Ушкодженням, що найбільш знижує працездатність конструкцій і потребує значних матеріальних витрат на усунення, є корозійний знос. На обраній ділянці найбільш навантаженою, відповідно до результатів обстеження, і в той же час ланкою, що найбільш ушкоджується, є проміжна опора П-110, що має найбільший прогін.

Розрахунки імовірності безвідказної роботи виконувалися для випадків корозійного зносу без поновлення протикорозійного покриття (обрано самий несприятливий варіант). Отримані дані зіставлені з результатами визначення коефіцієнта конструктивного ризику.

Статичний розрахунок конструкцій виконаний за допомогою програмного комплексу “ЛІРА - Windows 5.0.3”. В основу розрахунку покладений метод кінцевих елементів у переміщеннях. Для візуалізації проведених досліджень були відібрані елементи, напруги в який від дії вітру на ПЛ найбільш близькі до розрахункового опору. Розрахунки для різної величини корозійного ушкодження показали, що перерозподіл зусиль в елементах опори при рівномірній поверхневій корозії в межах до величини корозійного ушкодження 50% практично не змінюється і становить 3-5 %.

Залежність періоду повторюваності граничних навантажень від величини корозійних ушкоджень для поясів опори наведена на рис. 6; значення імовірності безвідмовної роботи, коефіцієнту конструктивного ризику і напруг у залежності від величини корозійного зносу елементів наведені в табл. 5.

Таблиця 5. Результати оцінки імовірності безвідказної роботи і показників конструктивного ризику

Термін служби Т, років	Елемент опори
		U2 L110х8	U3 L90х7	D2 L50х4
	t, мм		, МПа	t, мм		, МПа	t, мм		, МПа	t, мм		, МПа
0	8,00	0,9778	172,0	8,00	0,9818	157,0	7,0	0,9286	170,0	4,00	0,9282	181,0
		1,000			1,000			1,000			1,000
10	7,65	0,8192	179,7	7,65	0,8620	164,2	6,65	0,6536	178,9	3,63	0,3231	199,7
		1,043			1,037			1,058			1,145
20	7,30	0,5718	188,3	7,30	0,6228	172,1	6,30	0,3479	188,9	3,25	0,1542	222,8
		1,184			1,114			1,278			1,761
30	6,95	0,3423	197,8	6,95	0,3801	180,7	5,95	0,1564	201,0	-	-	-
		1,462			1,274			1,759			-
40	6,60	0,1811	208,2	6,60	0,2083	190,3	5,60	0,0648	214,5	-	-	-
		1,964			1,539			-			-
50	6,25	0,0957	219,8	6,25	0,1071	200,9	5,25	0,0256	233,7	-	-	-
		-			1,961			-			-

Характерні залежності A_q(t),P_s(t),(t) для елемента U1, дозволяють оцінити проміжок часу до досягнення граничного значення показника ризику. Для досліджуваної конструкції при V_кор=50 мкм/рік і поточному значенні ризику А_q=1,18 залишковий ресурс становить 17 років.

Запропонована методика призначена для планування заходів щодо зниження конструктивних ризиків у рамках розробки програми забезпечення надійності (ПЗНе) та обґрунтування доцільних термінів страхування ПЛ.

В розділі 4 наведена схема управління безпекою електромережевих об'єктів (ліній електропередачі і підстанцій) на принципах економічної відповідальності. Управління здійснюється через механізм страхування і ґрунтується на інформації про поточні значення конструктивних ризиків, що формується в процесі експертної оцінки технічного стану об'єкта. Способи регулювання безпеки визначаються регламентом і правилами страхування. Правила передбачають коригування страхового тарифу на основі оцінці ризиків з метою забезпечення реального співвідношення “страховий платіж - рівень безпеки конструкцій”. Таке коригування є основним економічним регулятором безпеки експлуатованих об'єктів. За рахунок коштів, що відраховуються від страхових платежів, здійснюється фінансування заходів щодо запобігання завалень будівельних конструкцій і пом'якшення страхового ризику.

Інтенсивність зниження ризику від збільшення витрат на забезпечення безпеки висловлена залежностями:

, (10)

, (11)

де A_q0 - початковий ризик аварії; A_q(t) - накопичений ризик аварії за час функціонування конструкції 0;t; - інтенсивність зниження конструктивної безпеки.

Вартість ремонтно-відновлювальних робіт у залежності від фактичного рівня конструктивної безпеки в момент часу t визначається нижньою і верхньою границями конструктивного ризику:

, (12)

де С₀ - повна відновлювальна вартість конструкції в діючих на момент оцінки цінах; С_р - вартість ремонтно-відновлювальних робіт з усунення ризику; А_qд- поточне значення конструктивного ризику; А_qп=1, А_qпр - відповідно нижня (проектна) і верхня (гранична) величини конструктивного ризику. При цьому витрати С₀ визначаються з урахуванням вартості конструкції “у ділі”, площі поверхні, що фарбується, типу профілю, що фарбується, норм витрати і вартості лакофарбових матеріалів.

Розділ містить матеріали чисельних досліджень по статистичному обґрунтуванню коефіцієнтів, що корегують страхові тарифи в залежності від значення ризику. З огляду на те, що основним видом ушкоджень металевих електромережевих конструкцій є корозійний знос, розглянуто зміну питомих витрат на усунення наслідків корозійного руйнування і поновлення протикорозійного захисту протягом заданого терміну служби конструкції в різних експлуатаційних середовищах.

Отримані розрахунково-експериментальні дані забезпечують можливість корегування страхового тарифу в залежності від рівня страхової відповідальності (табл. 6).

Таблиця 6. Характеристики ризику і корегування страхових тарифів

Характеристика ризику	Значення ризику	Ср/С0	Коефіцієнт до страхового тарифу
зневажливо малий	11,05	до 5 %	1,0
прийнятний	1,051,15	510 %	1,05
прийнятий	1,151,25	1020 %	1,25
жорсткий контроль ризику	1,251,45	понад 20 %	1,5
Ризик не прийнятний для страховика, вимагаються заходи для його зниження	1,451,8	-	-

Економічна ефективність заходів щодо забезпечення безпеки конструкцій для підприємств електричних мереж оцінюється залежністю (13).

, (13)

де Э- річний економічний ефект; З_у - витрати на відшкодування збитків від завалення конструкцій, включаючи витрати на демонтаж і відновлення конструкцій; виплати за невиконаними договірними зобов'язаннями і втрати доходу від транспорту електроенергії за час відновлення лінії; З_р - річні витрати на підтримку і відновлення необхідного рівня безпеки; З_с - витрати на страхування. Річний економічний ефект складає в середньому 160 грн/тн конструкцій в залежності від умов страхування.

Висновки

Розроблено методику розрахункової оцінки конструктивного ризику електромережевих конструкцій за даними натурного освідчення, призначену для кількісної оцінки показників безпеки у випадках приватизації, купівлі-продажу, страхування та ін. Методика є доповненням до діючих норм і розширює галузь застосування результатів оцінки технічного стану електромережевих конструкцій на ринку проектно-будівельних послуг.

Встановлено граничні значення коефіцієнта конструктивного ризику 1,462...1,8, що характеризують граничне зниження визначальних параметрів елементів опор для різних за рівнем економічного і соціального збитку ПЛ.

Теоретично та експериментально обґрунтована розрахункова модель коефіцієнта конструктивного ризику від наявних дефектів і ушкоджень для елементів опор ПЛ на основі положень теорії нечітких множин, що дозволяє враховувати вплив недосконалостей на параметри напружено-деформованого стану опор ПЛ без статистичної вибірки. Запропоновані аналітичні залежності дозволяють уточнити напруги в елементах опор ПЛ в межах 5-10 МПа при виконанні перевірочних розрахунків.

Розроблено методику визначення залишкового ресурсу електромережевих конструкцій при встановлених показниках конструктивного ризику для планування ремонтно-відновлювальних заходів у рамках програми забезпечення надійності при експлуатації (ПЗНе).

Розроблено основні принципи страхування ПЛ на основі експертної оцінки конструктивних ризиків опор. За результатами чисельних досліджень витрат на зниження ризиків обґрунтовані значення коефіцієнтів 1...1,5 для корегування страхових тарифів у залежності від рівня безпеки ПЛ.

Матеріали досліджень використані при розробці нормативного документу “Методичні вказівки з оцінки конструктивних ризиків для здійснення інженерного і страхового захисту будівельних конструкцій будівель, споруд та інженерних мереж” територіального Управління Держнаглядохоронпраці по Донецькій області № 197 від 12.05.2000 р., а також впроваджені при оцінці технічного стану і реконструкції на підприємствах національної енергетичної компанії “Укренерго”. Економічний ефект від впровадження результатів досліджень становить 160 грн/тн.

Основні роботи

1. Горохов Е.В., Шелихова Е.В. / Экономико-математическое обоснование критериев надежности строительных конструкций при эксплуатации. / Материалы международной конференции “Теория и практика металлических конструкций”. / Сборник трудов. - Том 1. Современные проблемы строительства. - г.г. Донецк-Макеевка. - 1997. - С. 125-127.

2. Горохов Е.В., Шелихова Е.В. / Обоснование предложений Донбасского диагностического центра по страхованию техногенных рисков на основе мониторинга технического состояния объектов. / Вестник ДонГАСА. - Макеевка. - 1998. - вып. № 98-4(12). - С. 165-169.

3. Горохов Е.В., Шелихова Е.В. / Определение порядка страхования техногенных рисков при оценке технического состояния и паспортизации строительных конструкций зданий и сооружений. / Материалы второй Всеукраинской научно-технической конференции “Аварии зданий и сооружений и меры их предотвращения”. / Строительные конструкции. Межведомственный научно-технический сборник. - Киев. - 1999. - вып. № 51. - С. 144-149.

4. Горохов Е.В., Герасимчук В.С., Шелихова Е.В. / Оценка техногенных рисков на принципах экономико-математического моделирования режима эксплуатации строительных конструкций. / Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков. - 2000. - вып. № 94. - С. 7-9.

5. Королев В.П., Волкова И.А., Шелихова Е.В. / Экспертное диагностирование коррозионного разрушения при определении остаточного ресурса строительных металлоконструкций в коррозионных средах. / Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - Киев. - 2002. - № 2.- С. 6-10.

6. Горохов Е.В., Шелихова Е.В. / Принципы нормирования конструктивных рисков по результатам оценки технического состояния эксплуатируемых объектов. / Материалы 28 международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Здания и сооружения с применением новых конструкций и материалов”. - Макеевка. - 2002. - вып. № 2002-3(34). - Том 1. - С. 33-35.

7. Горохов Е.В., Гримуд Г.И., Турбин С.В., Шелихова Е.В. / Методика определения остаточного ресурса опор воздушных линий электропередачи. / Современные проблемы строительства. / Донецкий ПромстройНИИпроект: Ежегодный научно-технический сборник. - Донецк. - 2002. - Том 2. - С. 105-113.

8. Горохов Е.В., Шелихова Е.В. / Принципы оценки конструктивных рисков эксплуатируемых объектов электросетевого строительства. / Современные проблемы строительства. / Донецкий ПромстройНИИпроект: Ежегодный научно-технический сборник. - Донецк. - 2002. - Том 1. - С. 41-46.

Размещено на Allbest.ru

...