Russian (CIS)English (United Kingdom)
ГлавнаяКонференцииПервая часть 1-й Международной конференции МГС → Основные положения методики определения климатических нагрузок при реконструкции
Основные положения методики определения климатических нагрузок при реконструкции

Автор: Турбин Сергей Владимирович
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Специализированный научно-производственный центр конструкций электросетевого строительства

 

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы определения гололедно-ветровых нагрузок и воздействий при проектировании реконструкции воздушных линий электропередачи. Приведен порядок проведения расчетов, вкратце изложены основные методические положения составных частей методики таких как обработка данных метеостанций, анализ месторасположения трассы ВЛ, специальные методы исследования гололедно-ветровых нагрузок и воздействий.

Ключевые слова: воздушные линии электропередачи, гололедно-ветровые нагрузки, расчетные режимы, метеоданные, реконструкция

Введение

При проектировании реконструкции воздушных линий электропередачи основное внимание в большинстве случаев уделялось обеспечению несущей способности строительной части и, только в отдельных случаях, затрагивались вопросы обеспечения требуемых габаритов и повышения пропускной способности ВЛ, хотя в мире данные вопросы достаточно актуальны и уже выходят за грань принятой в Украине концепции проектирования и эксплуатации ВЛ [[1]]. К данному факту также необходимо добавить, что вместо используемых в Украине терминов «реконструкция» и «капитальный ремонт» в мире используется до 20 различных терминов, характеризующих как восстановление проектных технических данных, так и их модернизацию. Как правило, при проектировании и реконструкции линий электропередачи использовались карты районирования территории по тому либо иному параметру. Обладая положительными качествами, такими как удобство в работе, карты загрубляют расчетные значения метеопараметров из-за операций сглаживания и зонирования. При проектировании новых линий такой подход себя оправдывает, т.к. в большинстве случаев (до 80%) погрешность идет в запас надежности. Однако при реконструкции, детальный учет климатических нагрузок и воздействий позволяет не только определить «тонкие» места проекта, но и оптимально выбрать возможные расчетные сочетания и необходимый уровень надежности, как отдельных конструкций, так и линии в целом.

Таким образом, сложность учета климатических нагрузок при проектировании реконструкции существующей линии по сравнению с проектированием новой ВЛ может существенно отличаться. В первую очередь это связано с существенной детализацией процесса определения климатических нагрузок, основной целью которого является поиск резервов несущей способности. Усложнение работ по перерасчету линии по сравнению с ее проектированием не только затрагивает тему нагрузок и воздействий. Так при проектировании новой линии инженер, как правило, имеет дело с типовыми конструкциями. В свою очередь после определенного времени эксплуатации конструкции линии, вследствие полученных дефектов и повреждений, перестают быть «типовыми», изменяются стрелы провеса, появляются разности тяжений и т.д. Однако, несмотря на всю сложность мероприятий по проектированию реконструкции ВЛ последние являются востребованными, в связи с тем, что затраты на проведение ремонтных работ могут быть снижены на порядок по сравнению с новым строительством.

В данном аспекте также необходимо отметить возможность использования вероятностных подходов по определению надежности, которая может нормироваться различными показателями, такими как вероятность безотказной работы либо вероятность отказа, обеспеченность (либо иными словами вероятность непревышения) климатических нагрузок. Данные методы в настоящее время достаточно хорошо проработаны методологически для простых конструкций, однако для сложных объектов, таких как ВЛ, полный вероятностный расчет не представляется возможным и затрагивает в первую очередь вероятностную природу нагрузок и воздействий согласно рекомендаций [[2]], а возможные отклонения качества строительных материалов учитываются согласно действующих рекомендаций строительных норм.

Анализ профиля трассы ВЛ

Все работы по определению климатических нагрузок на основании данных метеостанций должны начинаться с анализа макро- и микроклиматических, а также топографических особенностей местности. При анализе месторасположения воздушной линии учитывается расположение профиля относительно близлежащих метеостанций, макроклиматические особенности исследуемой территории, рельеф местности по профилю ВЛ и в местах расположения метеостанций. Несмотря на кажущуюся простоту, данный пункт является наиболее сложным и требующим определенного опыта и понимания условий формирования нагрузок. В зависимости от выводов об особенностях исследуемой территории, возможно применение тех либо иных методик, что в свою очередь может привести к неправильным результатам. Иногда в процессе определения нагрузок на ВЛ приходится проводить несколько итераций, проводя соответствующие расчеты.

Обработка данных метеорологических станций в месте прохождения ВЛ

Основным источником информации о гололедно-изморозевых явлениях являются данные наблюдений метеорологических станций. Инструментальные наблюдения на сети метеорологических станций начаты c 1945 года на стандартных гололедных станках с жестко закрепленными проводами диаметром 5 мм, расположенными на высоте 2 м в меридиональном и широтном направлениях.

При производстве наблюдений для каждого случая обледенения определяется вид отложения, начало образования гололедно-изморозевого явления, продолжительность случая обледенения, размеры обледенения, масса отложения в граммах, температура воздуха, направление и скорость ветра, атмосферные явления сопровождающие обледенение (туман, дымка, метель, поземка и т.д.).

Поскольку отложения на проводах гололедного станка чаще имеют неправильную геометрическую форму, размеры гололедно-изморозевых отложений определяются двумя измерениями – большим и малым диаметрами.

Под большим диаметром отложения а принимается длина наибольшей по величине оси поперечного сечения отложения. Малый диаметр с – это расстояние между двумя наиболее  удаленными точками поперечного сечения отложившегося льда в направлении, перпендикулярном линии большего диаметра. Масса отложения приводится в граммах на погонный метр провода.

Скорость ветра без гололеда и при гололеде измеряется в настоящее время анеморумбометрами, хотя в рядах метеостанций присутствуют данные по скорости ветра, измеренные при помощи флюгера Вильда.

Все методики проведения измерений указанных параметров достаточно просты, однако ряды данных содержат значительное количество неточностей, вызванных, как несовершенством методик проведения измерений ,так и влиянием «человеческого» фактора.

При подготовке нормативного документа [[3]] по метеостанциям производились расчеты нагрузок на условную ВЛ (высота подвеса провода – 10 м, диаметр провода – 10 мм) по методике [6], для чего использовалось распределение Гумбеля. В принципе при поиске оптимального распределения для территории Украины сравнивались распределение Гумбеля, распределение Вейбулла и Гамма-распределение. Сравнение осуществлялось при помощи критерия Пирсона, и судя по полученным результатам, Гамма-распределение и распределение Гумбеля в равной степени имеют «право на жизнь».

Стандартизованный формат распределения Гумбеля по методике, предлагаемой МЭК и СИГРЕ, с учетом того, что


выглядит следующим образом:

Тогда, плотность распределения вероятности определяется по следующему уравнению:

Определение нагрузки с заданным периодом повторяемости выполняется с использованием уравнения:

где , - параметры распределения,
Определение нагрузок при помощи Гамма-распределения не приводится в связи с существенной сложностью вычислений.

Годовые максимумы нагрузок, которые используются для получения рядов, также нуждаются в соответствующих корректировках.

Масса гололедно-изморозевого отложения открытого гололедного станка определяется путем введения коэффициента закрытости Ka, который зависит от угла закрытости a. Угол a рассчитывается в зависимости от взаимной ориентации гололедонесущего потока и объекта, экранирующего гололедный станок, по формуле ВНИИЭ [6]:

где: h - высота экранирующего объекта, м; hГ - высота гололедного станка, м; L - расстояния от экранирующего объекта до границы метеоплощадки, м; Dl - расстояние от гололедного станка до границы метеоплощадки, м.

В зависимости от угла a определяется коэффициент закрытости Ka, по формуле (6):

Для скорости ветра при гололеде используется аналогичный коэффициент:

Если расстояние от гололедного станка до экранирующего объекта более 300 м, то коэффициенты Ka и K`a принимается равными 1.

Размер отложения на проводе гололедного станка зависит не только от его «закрытости», но и от угла j между направлением ветра и проводом. Отложение на проводе расположенном перпендикулярно потоку будет больше, чем на проводе ориентированном под некоторым углом j  к направлению ветра. Для определения величины отложения гололеда на проводе гололедного станка, расположенного перпендикулярно к направлению ветра (по 16 румбам), вводится коэффициент Кj. Значения Кj представлены в таблице 1.

Таблица 1. Значения коэффициента Кj в зависимости от направления ветра
Если расстояние от гололедного станка до экранирующего объекта более 300 м, то коэффициенты Ka и K`a принимается равными 1.

Размер отложения на проводе гололедного станка зависит не только от его «закрытости», но и от угла j между направлением ветра и проводом. Отложение на проводе расположенном перпендикулярно потоку будет больше, чем на проводе ориентированном под некоторым углом j  к направлению ветра. Для определения величины отложения гололеда на проводе гололедного станка, расположенного перпендикулярно к направлению ветра (по 16 румбам), вводится коэффициент Кj. Значения Кj представлены в таблице 1.
Таблица 1. Значения коэффициента Кj в зависимости от направления ветра

Направление ветра в начале обледенения

СВ, ЮВ, СЗ, ЮЗ

ВСВ, ССВ, ВЮВ, ЮЮВ, ЮЮЗ, ЗЮЗ, ЗСЗ, ССЗ

Кj

1,82

1,33

Далее данные коэффициенты учитываются при вычислении массы гололедных отложений.

P=10-3×Кa ×Кj×gср×Ри,   кг                                                 (8)

где Ри – измеренный вес гололеда на гололедном станке, приведенный к высоте 10 м и диаметру 10 мм.

При наличии данных только о размерах а  и с  гололедно-изморозевого отложения, соответствующая им масса отложения на гололедном станке определяется по формуле:

P`=0.785×10-3×Кa ×Кj×gср×(ac-d2),   кг                                      (9)

где ×gср×- средняя плотность данного типа отложения по региону;

а, с – размеры гололедного отложения, мм;

d – диаметр стержня гололедного станка.

Ветровой напор на провод покрытый гололедом определяется по формуле:

где v – скорость ветра при гололеде, м/с.

В соответствии с рекомендациями МЭК [2] при анализе возможных сочетаний климатических параметров гололеда с ветром необходимо рассмотреть следующие расчетные режимы:

- максимальный вес гололедных отложений и соответствующий ветровой напор;

- максимальный ветровой напор при гололеде и соответствующий вес гололедных отложений;

- максимальный размер гололеда и соответствующий ветровой напор.

В некоторых работах [[4]] высказывалось мнение, что для условий Украины режим максимальных размеров гололеда не является определяющим, однако, как показали расчеты, упускать данный расчетный режим нельзя, т.к. максимумы веса гололеда в 40% случаев по метеостанциям Украины являются наибольшими именно в указанном режиме.

Данный подход в настоящее время применяется для гололедно-ветровых нагрузок и воздействий, хотя при проектировании реконструкции, исследования минимальной, максимальной и среднеэксплуатационной температуры также представляются обоснованными. При устранении негабарита в опорах №№399-400 ВЛ 330 кВ «КРЭС №2- Каховка» Южной ЭС НЭК «Укрэнерго» только благодаря детальному учету всех климатических факторов удалось избежать подстановки дополнительной опоры в пролете.

Определение характеристического уровня нагрузок на ВЛ при реконструкции

При наличии определенного остаточного срока службы воздушной линии после реконструкции, согласно формуле (4) существует возможность корректировки базового периода повторяемости характеристических значений гололедно-ветровых нагрузок. Данный факт не противоречит основным постулатам, положенным в основу ПУЭ 2006 [3].

К примеру, линия 35 кВ находилась в эксплуатации 40 лет (и по рекомендациям главы 2.5 остаточный период эксплуатации составляет около 10 лет) и при перерасчете опоры можно принимать за характеристические, нагрузки с периодом повторяемости 10 лет, что позволит почти на треть снизить расчетное значение гололедно-ветровых нагрузок (см. рис. 1). Данная методика позволяет обоснованно снижать нагрузки на конструкции, которые были запроектированы по требованиям раннее действовавших норм, а не использовать при расчетах методические положения (в некоторых случаях достаточно грубые) устаревших нормативов. Данная методика, также позволяет не только оптимально назначать сроки проведения ремонтно-восстановительных мероприятий но и ликвидировать противоречия между энергоэксплуатирующими организациями и контролирующими органами (например Госнадзорохрантруда).

Рис. 1. Зависимость гололедно-ветровых нагрузок от периода повторяемости
Специальные методы исследования климатических нагрузок

При существенных отличиях полученных климатических параметров от результатов приведенных в [3], необходимо выявить причины данных расхождений, для чего необходимо выполнить дополнительные исследования, некоторые из которых приведены ниже.

Анализ пространственной корреляции климатических нагрузок

Для оценки радиуса представительности метеостанции, а также для определения степени соответствия данных соседних метеорологических станций необходимо оценить пространственное распределение климатических нагрузок. Наиболее точно пространственное распределение нагрузки можно оценить при обработке строчных данных наблюдений за метеопараметрами. Однако данный анализ в силу нестационарности проведенных замеров требует привлечения аппроксимирующих функций. Одним из возможных вариантов является обработка годовых максимумов по метеостанциям при помощи взаимнокорреляционной функции. В связи с тем, что расчетные значения определяются исходя из годовых максимумов нагрузки, корреляция годовых максимумов позволит выявить не только возможное пространственное распределение нагрузок по территории, но и оценить репрезентативность метеостанции.

Перед началом анализа желательно установить, обладает ли данная реализация процесса свойствами случайности и стационарности, что в последующем позволит значительно упростить некоторые методы анализа.

Коэффициент корреляции [[5]] используется для количественной оценки взаимосвязи двух наборов данных, представленных в безразмерном виде. Коэффициент корреляции двух случайных величин определяется по формуле (11) и представляет собой ковариацию двух наборов данных (12), деленную на произведение их стандартных отклонений (13).
(11)
(12)
(13)

Корреляционный анализ дает возможность установить, ассоциированы ли наборы данных по величине, то есть, большие значения из одного набора данных связаны с большими значениями другого набора (положительная корреляция), или, наоборот, малые значения одного набора связаны с большими значениями другого (отрицательная корреляция), или данные двух диапазонов никак не связаны (корреляция близка к нулю). Причем, две независимые случайные величины всегда остаются некоррелированными, а некоррелированные величины не всегда являются независимыми.

Данное противоречие не сильно скажется на искомом минимальном радиусе репрезентативности метеостанции и может быть принято в запас надежности. Анализ пространственного распределения гололедных нагрузок по анализируемой территории позволяет сделать вывод о том, что при коэффициенте корреляции, полученном при помощи уравнения (11), и численно равном 0,2 и выше ряды метеоданных можно считать хорошо коррелированными, т.е. атмосферные процессы, которые формируют климатические нагрузки на данной территории, являются идентичными. Для ветра при гололеде данная величина составляет 0,15, а для максимального ветра, в свою очередь - 0,45, что связано с большими размерами атмосферного фронта при котором формируются максимальные ветровые нагрузки.

Анализ статистических данных по отказам воздушных линий электропередачи

К сожалению, централизованная база данных по отказам воздушных линий электропередачи на территории Украины не ведется, хотя данная информация может быть полезной при проектировании новых линий и, особенно, при реконструкции существующих объектов. Зарубежные исследователи с большим интересом изучают информацию по отказам на ВЛ, которые являются своеобразными испытаниями объектов. В бывшем СССР данная статистическая информация имелась в наличии и использовалась при обработке данных метеостанций. Величина климатических нагрузок зафиксированных при аварии вводилась в распределение климатических характеристик по близлежащей метеостанции [[6]], таким образом проводился учет аварийности при проектировании новых линий. В настоящее время данные корректировки не используются, что связано с наличием пространственного распределения нагрузки, которое не является идентичным в месте отказа и на территории близлежащей метеостанции.

Перспективным направлением дальнейших исследований в данном аспекте является анализ безаварийной работы линии. Данный факт позволяет сделать косвенные выводы о надежности объекта в целом. Так в работе [[7]] на примере снеговой нагрузки показано, что при безаварийной эксплуатации покрытий промышленных зданий не соответствующих требованиям действующих норм возможен благоприятный прогноз о возможности дальнейшей эксплуатации без существенного усиления. Данный подход представляется перспективным для воздушных линий, однако в силу специфичности линий метод, описанный в [7] нуждается в существенной доработке.

Выводы

Помимо описанных в данной статье методов определения климатических нагрузок существуют методики определения степени влияния на климатические нагрузки топографических особенностей местности, высотных зависимостей, изменения шероховатости подстилающего слоя, оценки степени влияния выбросов гололедных нагрузок, интерполяции данных метеостанций в любой точке территории и т.д. Также следует упомянуть весьма перспективную возможность анализа строчных данных метеостанций при оценке влияния преобладающего направления ветра с учетом ориентации воздушной линии, которую еще предстоит разработать.

В настоящее время готовятся к выходу в свет три нормативных документа Министерства топлива и энергетики, в которых будут освещены основные положения указанных методик, однако определенные части, такие как, назначение степени ответственности реконструируемой линии либо значений характеристических нагрузок в зависимости от остаточного срока эксплуатации ВЛ еще нуждаются в обсуждении.

Литература


[1]. Гримуд Г.И., Механошин Б.И., Шкапцов В.А., Турбин С.В. Повышение пропускной способности линий электропередачи. Международній опыт // Новини енергетики. - №4. 2006. – С. – 37 – 43.

[2]. IEC 60826 Design criteria of overhead transmission lines // 11/165A/CDV. - Ed. 3. 2002. – 186 p.

[3]. Правила устройства электроустановок. Глава 2.5. Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ до 750 кВ. Киев. 2006. – 190 с.

[4]. Повышение надежности и долговечности электросетевых конструкций/ Горохов Е.В., Шаповалов С.Н., Удод Е.И. Петриченко В.А., Нарожный В.Б., Таловерья В.Л. / Под редакцией Горохова Е.В. – К.: Техніка, 1997. – 284 с.

[5]. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ..-М.: Мир, 1989.-540 c.

[6]. Методические указания по расчету климатических нагрузок на ВЛ и построению региональных карт с повторяемостью 1 раз в 50 лет/ Москва. – ВНИИЭ. – 1990 г. – Шифр 3-015/89. – 140 с.

[7]. Научно-технический отчет по теме 0190 «Разработать методы оценки технического состояния и определить предельно допустимые параметры дефектов и повреждений эксплуатируемых металлоконструкций на основе выявления и использования резервов несущей способности» / ГПНИИ «Укрпроектстальконструкция». – Киев. – 1991. – 164 с.


© Копирование материалов размещенных на сайте, допускаеться только по согласию с авторами материалов. Ответственность за достоверность и точность информации несут авторы статей. Все права защищены. Использование материалов сайта без согласия ОАО "ПРОМиК", не допускаеться.

© ОАО "ПРОМиК", 2006
© ООО "Связьтехсервис", 2006

 



Фото-12
Печи
Фото-12


Сейчас 159 гостей онлайн
Применение полимерных стоек, как опор ВЛ, в ближайшие 10 лет:
 
Locations of visitors to this page