Russian (CIS)English (United Kingdom)
ГлавнаяКонференцииВторая Международная конференция МГС → Методика определения предельных нагрузок на металлические опоры ВЛ
Методика определения предельных нагрузок на металлические опоры ВЛ

Методика определения предельных нагрузок на металлические опоры ВЛ

 

УДК 621.315

 

С.В. Турбин, Н.С. Шалыгина

 

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Введение

Введение в инженерную практику главы 2.5 «Воздушные линии электропередачи» «Правил устройства электроустановок» [1] внесло существенные изменения в практику проектирования и реконструкции воздушных линий электропередачи. В [1] был обоснован и введен расчетный режим для ВЛ от совместного действия ветра и гололеда с учетом реальной плотности гололедо-изморозевых отложений. Также было пересмотрено районирование расчетных климатических нагрузок, таких как ветровое давление на провод покрытый гололедом, вес гололеда, ветровой напор при гололеде. Это изменило «баланс сил» между вертикальной и горизонтальной составляющей суммарной гололедно-ветровой нагрузки. Учитывая тот факт, что ветровое давление на провод покрытый гололедом учитывает также такую вероятностную характеристику как наветренная площадь провода с гололедом, которая является функцией плотности гололедных отложений, то учет ветрового давления на конструкцию также будет несколько отличаться от ветрового давления на провод. Помимо климатических нагрузок на опоры также действуют тяжения проводов и тросов, которые также непосредственно зависят от климатических параметров.

Приведенная в данной работе методика позволяет оценить степень влияния каждого из климатических параметров на результирующее напряженно-деформируемое состояние элементов металлической опоры ВЛ с учетом одинаковой вероятности их проявления. Одним из основных результатов использования данной методики является определение предельных нагрузок, которые может выдержать существующая конструкция опоры ВЛ, запроектированная по раннее действовавшим нормативам. В данном случае в качестве объекта исследования принята одноцепная промежуточная металлическая опора П-110-1, однако полученные результаты применимы для всех металлических опор, а с учетом определенной доработки могут использоваться и для железобетонных конструкций промежуточных опор.

Приведенная ниже методика является логическим продолжением методики описанной в [2] с учетом требований новых нормативов [1, 3]. В связи с тем, что в основу методики положены раннее проведенные исследования, посвященные разработке новых методов нормирования климатических нагрузок для ВЛ [4, 5] с учетом требований [6] данная проблема является своеобразным «белым пятном», т.е. в данной области практически отсутствуют какие либо исследования.

Ключевые слова: ветровой напор, гололед, повторяемость климатических нагрузок, воздушные линии электропередачи, предельные нагрузки.

Основные положения методики определения предельных нагрузок на опоры ВЛ при гололедно-ветровых воздействиях

Существуют несколько расчетных режимов для промежуточных опор воздушных линий электропередачи, которые нормируются требованиями ПУЭ [1]. При проведении реконструкции число расчетных режимов может быть существенно увеличено. Как правило, при проектировании реконструкции добавляются расчетные режимы, связанные с аварийными нагрузками, а возможные сочетания климатических нагрузок не учитываются.

Рассмотрим расчетный режим совместного действия ветра с гололедом. В данном случае норматив [6] рекомендует учитывать три расчетных подрежима:

  • режим максимального веса гололедных отложений при сопутствующем ветре;

  • режим максимального скоростного напора ветра и сопутствующий вес гололедных отложений;

  • режим максимальных размеров гололеда при сопутствующем ветре.

В данном случае для визуализации методики будем использовать один расчетный режим, который в данном случае будет максимальным по какому либо параметру, имея ввиду что для получения количественных результатов необходим совместный учет трех расчетных режимов.

В ветро-гололедном режиме конструкция промежуточной опоры ВЛ воспринимает следующие нагрузки:

  • вес проводов, тросов и изоляторов;

  • собственный вес конструкций опоры;

  • вес гололеда на проводах и тросах;

  • ветровой напор на провода и тросы покрытые гололедом, с учетом плотности гололедных отложений;

  • ветровой напор на конструкцию опоры.

Все указанные нагрузки имеют собственные коэффициенты надежности по нагрузке, и с учетом возможных сочетаний, определяемых долей составляющих от гололеда и ветра в суммарной нагрузке могут существенно отличаться и вносить различный «вклад» в результирующее НДС указанного расчетного режима.

В общем случае при расчетах металлических опор создается расчетная схема, после определения усилий, в которой выполняется подбор отдельных элементов. При проектировании реконструкции задача несколько видоизменяется, т.е. согласно существующей конструкции создается расчетная схема, которая проверяется на соответствие расчетным нагрузкам.

Учитывая все вышесказанное, результирующее усилие в элементе опоры ВЛ можно записать следующим образом:

(1)

где sпрсв sопсв – напряжения в элементе от собственного веса проводов, тросов и опоры;

sпрв, sпрг, sопв – соответственно напряжения в элементе от ветрового давления на провода и трос покрытые гололедом, от веса гололеда на проводах и тросах, ветрового давления на конструкцию опоры.

Отделив варьируемые параметры в левой части от определенных параметров получим:

. (2)

Таким образом, на основании выражения (2) можно достоверно определить напряжения в элементе, которые обусловлены действием климатических, т.е. варьируемых во времени нагрузок. С учетом требований [7] и принципа суперпозиции сил запишем (2) следующим образом:

, (3)

где Nедг, Nедв, Nедв – усилия в элементе металлической конструкции от единичных нагрузок от веса гололеда, ветрового давления на конструкцию опоры и ветрового давления на провода покрытые гололедом;

gпрг, Wопв, Wпрв – искомые предельные усилия от веса гололеда, ветрового давления на конструкцию опоры и ветрового давления на провода покрытые гололедом;

j, А, сd – характеристики элемента согласно [7].

Для каждой метеостанции Украины и для каждого исследуемого параметра климатической нагрузки (в данном случае для расчетных значений N) справедливо следующее выражение:

(4)

где Т – средний период повторяемости климатической нагрузки, лет;

- параметры климатической нагрузки по данной метеостанции.

Выразив из (4) период повторяемости получим выражение:

(5)

где а, в - параметры климатической нагрузки по данной метеостанции, которые являются функциями ;

х – расчетное значение нагрузочного параметра.

Выражение (5) для каждого нагрузочного параметра содержит два неизвестных: х и Т. Таким образом, с учетом (3) получаем систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными:

(6)

Решение (5) позволит определить предельные нагрузки на исследуемую конструкцию, а также определить период повторяемости указанных нагрузок.

Пример определения предельных нагрузок на металлическую промежуточную опору

Рис. 1. Расчетная схема опоры П-110-1

Подпись:  
Рис. 1. Расчетная схема опоры П-110-1
В качестве примера применения приведенной методики рассмотрим опору П-110-1 (см. рис. 1), которая была запроектирована для второго гололедного (в=10мм) и третьего ветрового районов (q=500Па). Ветровой пролет в данном случае, при использовании провода АС240/32 и троса С-50 составляет 380м. Для данной опоры в гололедно-ветровом режиме определяющими являются пояса средней и верхней секции. Однако из-за дискретности сортамента в указанных выше элементах металлической опоры существует определенный запас прочности, а наиболее нагруженным элементом является пояс верхней секции U3 ниже траверс в месте изменения угла наклона поясов.

Несущая способность наиболее нагруженного элемента за вычетом напряжений от собственного веса составляет:

(7)

Далее задаемся сочетаниями климатических параметров, к примеру по метеостанции Донецк.

Основной проблемой определения трех предельных нагрузок является тот, факт, что их периоды повторяемости должны быть одинаковыми. Т.к. зависимость между средним периодом повторяемости и величиной климатической нагрузки достаточно хорошо описывается логарифмической функцией (4) зададимся в первом приближении соотношением веса гололеда, ветрового напора на провод покрытый гололедом и ветровым напором при гололеде. Так по метеостанции Донецк принимаем следующие значения:

Nедг =1,9 Nедв = 43,19 Nедв. (8)

Далее решаем систему уравнений (6) итерационным методом при необходимости корректируя множители между предельными нагрузками в соотношении (8), с учетом того, что усилие в элементе не может превышать предельную несущую способность, а периоды повторяемости воздействий должны быть одинаковыми. Результаты проведенных расчетов представлены в табл. 1.

Табл. 1. Расчетные характеристики для элемента U3 по метеостанции Донецк

 

Вес гололеда

Ветровой напор при гололеде

Ветровой напор на провод покрытый гололедом

Период повторяемости нагрузки, Т, лет

14.2

13.2

13.9

Расчетное значение нагрузки, Н/м (Па)

10.8

135.8

5.98

Напряжения в элементе, от действия нагрузки, МПа

91104.29

4094.470606

69746.51

 

Вероятность непревышения нагрузок за последующие 50 лет эксплуатации составляет 0,1674. Причем данная величина характеризует также величину безотказности опоры в целом, т.к. для второго расчетного (менее «слабого») элемента пояса траверсы St2 вероятность непревышения нагрузок за тот же срок службы составляет 0,999974 (см. табл.2). Для остальных элементов опоры значения вероятности непревышения нагрузок в ветро-гололедном режиме практически равняются единице.

Табл. 2. Расчетные характеристики для элемента St2 по метеостанции Донецк

 

Вес гололеда

Ветровой напор при гололеде

Ветровой напор на провод покрытый гололедом

Период повторяемости нагрузки, Т, лет

977427.8

880564.1908

543269.9

Расчетное значение нагрузки, Н/м (Па)

48

598.6813187

26.37363

 

В таблице 3 для сравнения приведены расчетные характеристики для элемента U3 опоры П-110-1 с описанными выше характеристиками, при условии расположения участка ВЛ в зоне действия метеостанций Киев и Херсон.

Повысить характеристики конструкции опоры в целом, можно путем увеличения сечения элемента. В данном случае, решение уравнения (6) относительно Тх ® 150 для элемента U3 позволяет сделать следующие выводы. Вероятность непревышения нагрузок за последующие 50 лет эксплуатации составляет 0,844, что практически равняется величине нормируемой стандартами МЭК и СИГРЕ [6] (см. табл. 4) и лишний раз подтверждает работоспособность методики. Таким образом, величина вероятности непревышения расчетных значений нагрузок увеличилась с 0,1674 до 0,844699 при увеличении сечения одного элемента всего на 4 см2. Увеличение сечения элемента U3 в два раза приводит к увеличению надежности до 0,9927. Такое существенное изменение надежности конструкции промежуточной опоры объясняется несколькими факторами, основным из которых является, то, что остальные элементы опоры, для которых гололедно-ветровой режим является определяющим, имеют существенные запасы.

 

Табл. 3. Расчетные характеристики для элемента U3 по метеостанциям Киев и Херсон

 

Вес гололеда

Ветровой напор при гололеде

Ветровой напор на провод покрытый гололедом

Киев

Период повторяемости нагрузки, Т, лет

40.2127

40.86796622

40.06155

Расчетное значение нагрузки, Н/м (Па)

16.22

47.87285294

2.385294

Херсон

Период повторяемости нагрузки, Т, лет

226.8911

228.450547

228.3604

Расчетное значение нагрузки, Н/м (Па)

9.98

196.618961

6.480519

 

Табл. 4. Расчетные характеристики для элемента St2 по метеостанции Донецк с учетом усиления

 

Вес гололеда

Ветровой напор при гололеде

Ветровой напор на провод покрытый гололедом

С учетом усиления элемента U3 до требований ПУЭ

Период повторяемости нагрузки, Т, лет

148.376

146.8309587

137.864

Расчетное значение нагрузки, Н/м (Па)

18.7

236.2214802

10.40623

При увеличении площади элемента U3 в два раза

Период повторяемости нагрузки, Т, лет

3264.232

2983.47969

2422.243

Расчетное значение нагрузки, Н/м (Па)

29

361.7032967

15.93407

 

Заключение

Полученная методика является продолжением комплекса проведенных раннее исследований в области оценки остаточного ресурса эксплуатируемых конструкций воздушных линий электропередачи. Данная методика позволяет также решать обратную задачу – при проектировании увеличивать сечения наиболее нагруженных элементов до достижения определенного уровня надежности конструкции в целом. Дальнейшим развитием приведенных исследований будет учет направления ветра и корректное описание его как вероятностного процесса. Представляется необходимым также оценить динамическое воздействие ветра на конструкции воздушных линий, а для возможности вероятностного учета нагрузок от обрывов проводов необходимо выполнить значительный объем исследований по определению прочностных характеристик проводов и тросов, и как следствие определить принципы координации прочности для эксплуатируемых ВЛ.

Литература

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

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

3. ДБН В.1.2.-2:2006. Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об`єктів. Навантаження і впливи. Норми проектування. Київ. 2006.

4. Горохов Є.В., Турбін С.В., Гримуд Г.І., Лях В.В. Нормування ожеледно-вітрових навантажень для Українських ПУЕ // Металеві конструкції. Том 7. № 1. – 2004. – С. 13-20.

5. Броницький М.А., Лях В.В., Стафійчук В.Г., Турбін С.В. Основні нові положення глави 2.5 “Повітряні лінії електропередавання напругою вище 1 кВ до 750 кВ” “Правил улаштування електроустановок” // Інформаційний збірник “Розподільчі мережи”. – Київ.: Укрсільенергопроект. – №1, 2006. С. 16 – 28.

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

7. СНиП II–23–81*. Стальные конструкции. – М. ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 96 с.

 

 



Фото-11
Печи
Фото-11


Сейчас 77 гостей онлайн
Применение полимерных стоек, как опор ВЛ, в ближайшие 10 лет:
 
Locations of visitors to this page