автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Эксплуатационные факторы долговечности больших переходов воздушных линий электропередачи

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

^Назим Ярослав Викторович

УДК 621.315

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БОЛЬШИХ ПЕРЕХОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Макеевка - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Донбасской государственной академии строительства и архитектуры Министерства образования Украины.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор технических наук, профессор Горохов Евгений Васильевич, Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, ректор, заведующий кафедрой; Кандидат технических наук, доцент Шаповалов Сергей Николаевич, Донбасская государственная академия строительства и архитектуры.

Доктор технических наук, профессор Казакевич Михаил Исаакович, Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта, заведующий кафедрой;

Кандидат технических наук, доцент Ажер-мачев Геннадий Арсентьевич, Крымский институт природоохранного и курортного строительства, заведующий кафедрой. Полтавский государственный технический университет имени Ю. Кондратюка, Министерство образования Украины (г. Полтава).

Защита диссертации состоится «24» декабря 1998 г. в 13 часов на заседании специализированного ученого совета Д 12.085.01 в Донбасской государственной академии строительства и архитектуры по адресу: 339023, Донецкая обл., г. Макеевка, ул. Державина, 2,1 учебный корпус, Зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.

Автореферат разослан «24» ноября 1998 г.

И.о. ученого секретаря специализированного ученого совета доктор техн. наук, профессор ОЯ^У В.А. Матвиенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Переходы воздушных линий электропередачи (ВЛ) через большие водные пространства являются важным звеном в структуре основных производственных фондов предприятий электрических сетей. В Украине эксплуатируется 62 больших перехода ВЛ напряжением 220-750 кВ. Уникальность больших переходов ВЛ определяется высокой степенью ответственности и повышенными требованиями, предъявляемыми к их надежности и долговечности, тяжелыми условиями эксплуатации, сложным комплексом инженерных изысканий и решений при проектировании, монтаже, ремонте или реконструкции. Удельная стоимость переходов в несколько раз (а в отдельных случаях в десятки раз) превышает удельную стоимость самой линии. Это требует особого подхода в вопросах проектирования, расчета, строительства и эксплуатации переходов.

Достоверная оценка технического состояния и создание долговечных переходных опор невозможны без учета влияния физико-химических воздействий атмосферы и условий эксплуатации, а также фактической изменчивости нагрузок и прочностных характеристик конструкций. Одним из главных препятствий для увеличения сроков службы переходных опор ВЛ является проблема коррозионного разрушения элементов и узлов конструкции. Научный и практический интерес вызывают вопросы динамического поведения переходов ВЛ, как системы в целом, так и отдельных ее составляющих (проводов, опор).

Указанные задачи актуальны, поскольку даже незначительное повышение долговечности переходов ВЛ дает большой экономический эффект.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-исследовательскими работами по заказу Минэнерго Украины и отраслевыми научно-исследовательскими темами № 088-Н «Разработка отраслевых нормативных документов по обследованию и перерасчету электросетевых конструкций» (1995 г.) и № 64.08.005.5.7 «Определение допустимого износа металлических электросетевых конструкций: методы, разработка приборов» (1996 г.).

Дели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности и долговечности больших переходов воздушных линий электропередачи за счет учета влияния их конструктивных особенностей и условий работы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— натурные обследования и анализ опыта эксплуатации переходов ВЛ через большие водные пространства для определения уровня значимости эксплуатационных факторов;

- коррозионно-механические испытания фланцевых и односрезных болтовых соединений при моделировании напряженного состояния болтов и агрессивности среды;

- изучение динамического поведения проводов и грозозащитных тросов переходов ВЛ при сбросе гололеда и их обрыве с применением методов математического моделирования;

- исследования влияния динамических нагрузок на напряженно-деформированное состояние (НДС) переходных опор на основе численных экспериментов.

Научная новизна полученных результатов.

Краткое содержание научных положений и результатов, полученных автором, состоит в следующем:

- установлены характерные дефекты и повреждения конструктивных элементов больших переходов воздушных линий электропередачи;

- получены регрессионные модели для прогнозирования геометрических и прочностных характеристик болтов фланцевых и односрезных соединений в зависимости от уровня их напряженного состояния и концентрации сернистого ангидрида в атмосфере;

- предложена математическая модель для описания напряженно-деформированного состояния проводов и тросов ВЛ по всему пролету при подскоке в результате сброса гололеда, позволяющая установить форму и характеристики импульсных нагрузок на опору;

- выполнена оценка влияния динамических нагрузок при сбросе гололеда с проводов и их обрыве на распределение и величину усилий в элементах анкерных переходных опор;

- обоснована необходимость учета динамических нагрузок на конструкции переходных опор, провода и тросы при проектировании, обследовании и реконструкции больших переходов ВЛ.

Практическое значение полученных результатов. Материалы исследований использованы: при разработке нормативного документа Минэнерго Украины «Металлические и железобетонные опоры воздушных линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше. Методические указания по оценке, технического состояния и перерасчету»; при проведении натурных обследований объектов Днепровских и Донбасских магистральных электрических сетей национальной энергетической компании «Укрэнерго».

Личный вклад соискателя. Приведенные в диссертационной работе результаты исследований получены соискателем самостоятельно. Личный вклад автора состоит в следующем:

- непосредственное участие в проведении натурных обследований, испытаний и лабораторных исследований;

- разработка всех методик и выполнение численных экспериментов, приведенных в диссертации;

- статистическая обработка информации, полученной при обследованиях, испытаниях, численных исследованиях;

- систематизация и научный анализ полученных результатов.

В публикациях с соавторами соискателем выполнено: перерасчет проводов и тросов ВЛ по данным натурного освидетельствования [1, 2]; статистическая обработка результатов исследований коррозионного износа болтовых соединений [3, 4]; коррозионно-механические испытания моделей фланцевых и односрезных болтовых соединений и анализ их результатов [5]; численные исследования аэродинамических явлений проводов и тросов ВЛ [6].

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции по методическим вопросам исследования надежности больших систем энергетики «Надежность и безопасность стареющих систем энергетики» в г. Киеве (1995 г.), на Международной конференции «Теория и практика металлических конструкций» в г. Донецке (1997 г.), на 1У-Й Международной конференции-выставке «Короз1я-98. Проблеми корозп та протикорозшного захисту конструкцшних матер1ал1в» в г. Львове (1998 г.).

Публикации. По теме работы опубликовано 7 печатных работ, отражающих ее основное содержание, в том числе: 1 отраслевой нормативный документ, раздел монографии и 5 статей в сборниках научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, основные результаты и выводы, список использованной литературы (143 наименования), 3 приложения. Диссертация изложена на 193 страницах, в том числе 112 основного текста, 14 страниц списка литературы, 33 полных страницы с рисунками и таблицами, 34 страницы приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В главе 1 анализируются состояние вопроса и научные достижения в области изучения влияния условий эксплуатации и особенностей динамического поведения конструкций на долговечность и повреждаемость больших переходов воздушных линий электропередачи. Выполнен обзор научно-технической и нормативной литературы по трем направлениям исследований: расчет и проек-

тирование больших переходов; особенности природно-климатических, технологических нагрузок и воздействий, а также их учет при динамических расчетах переходов BJI; долговечность конструкций в условиях агрессивности атмосферы.

Общие вопросы проектирования конструктивных элементов переходов BJI достаточно полно раскрыты в работах К.П. Крюкова, А.Д. Бошняковича, Е.М. Бухарина и др. Особенностью работы больших переходов BJI является динамический характер гололедно-ветровых нагрузок и воздействий, изучению которых посвящены работы А. Эдвардса, A.A. Глазунова, В.Е. Бучинского, А. Ричардсона, К. Купера. Уровень знаний в данной области определил развитие исследований колебаний упругих систем и аэродинамической неустойчивости сооружений (работы Бехарда, Т. Кармана, Дж. Ден-Гартога, Паркинсона, М. Новака, Э. Симиу, Р. Сканлана, М.И. Казакевича и др.). Развитию теории динамических расчетов башенных сооружений на ветровые воздействия послужили работы М.Ф. Барштейна, Б.Г. Коренева, А.Г. Соколова, Г.А. Савицкого и др.

Динамический характер имеют нагрузки, возникающие при сбросе гололеда с проводов. Для существующей практики проектирования ВЛ наибольший интерес представляет определение перемещений точек провода с целью проверки соблюдения электрических габаритов (работы В.В. Бургсдорфа, А.И. Курносова, Ф. Габерланда). Возникающие при этом динамические нагрузки на провода и опоры не изучены.

Особую опасность разрушения конструкций опор несут ударные импуль- , сы при обрыве проводов. Статический метод решения задачи определения тя-жения в проводе уцелевшего пролета ВЛ путем рассмотрения равновесного состояния системы до и после обрыва провода в одном из пролетов с учетом редукции, предложенный А.Д. Бошняковичем, хотя и дает некоторую информацию, но не позволяет определять максимальные значения динамических усилий в элементах ВЛ. В работах A.A. Зевина, A.B. Штейна, Дж. Диана определены характер изменения импульса от момента обрыва провода до установившегося равновесного состояния для различных точек системы проводов ВЛ. Исследования динамического процесса при обрыве провода, имеющие своей целью, прежде всего, получение оценки прочности и устойчивости опор, не получили должного развития для переходов ВЛ.

Анализ работ А.И. Кикина, Е.И. Беленя, Е.И. Голубева, Е.В. Горохова и др. показывает, что коррозионное разрушение металла — основная причина снижения долговечности стальных конструкций в условиях открытой атмосферы. Динамический характер нагрузок на конструкции опор переходов выдвигает дополнительные требования к надежности элементов, сохранению их прочностных характеристик в процессе эксплуатации. Надежность и долговечность переходных опор в целом зависит от эксплуатационных характеристик узловых

соединений элементов. В связи с этим на первый план выходят вопросы их коррозионной стойкости. В работах О.И. Стеклова, Ю.Л. Вольберга предметом специальных экспериментальных исследований являлись вопросы долговечности сварных соединений. При возведении металлоконструкций переходов массовое применение, получили соединения элементов конструкций при помощи болтов. В исследованиях С.Н. Шаповалова, С.Н. Бакаева изучено влияние конструктивной формы болтовых соединений опор ВЛ на коррозионный износ соединяемых элементов, а также воздействие оцинковки и коррозии на механические свойства крепежных изделий. Влияние напряженного состояния болтов и агрессивности среды эксплуатации на их коррозионный износ и прочностные свойства не исследовано.

На основе обзора литературы и проведенного анализа сформулированы основные направления исследований.

В главе 2 приводятся результаты, полученные при статистической обработке информации о техническом состоянии больших переходов ВЛ в энергосистемах Украины.

В Украине эксплуатируется 62 перехода через большие водные пространства на 42 воздушных линиях электропередачи в 6 энергосистемах.

С целью установления фактического технического состояния больших переходов были выполнены натурные обследования объектов Днепровских магистральных электрических сетей национальной энергетической компании «Укрэнерго»: 14 больших переходов В Л общей протяженностью 22 км, на которых установлено 46 опор.

В главе представлен анализ опыта эксплуатации переходов, сооруженных по различным конструктивным схемам с применением разных типов переходных опор.

Резервы несущей способности эксплуатируемых переходных опор могут быть получены в результате уточнения фактических ветровых и гололедных нагрузок, нагрузок от собственного веса конструкций, учета фактической геометрии проводов. В процессе обследований больших переходов выполнялось уточнение геометрических схем переходных опор, контроль точек подвеса, стрел провеса проводов и грозозащитных тросов, а также планово-высотного положения опор. Геодезический контроль стрел провеса позволил проверить соблюдение габаритов переходов. Полученные результаты показывают, что в некоторых пролетах стрелы провеса увеличены в среднем на 5-10% по сравнению с проектными, что приводит к существенному снижению нагрузок на конструкции опор. При этом вертикальные габариты соответственно уменьшены на эту величину. Изменение стрел провеса необходимо учитывать при выполнении механических расчетов проводов.

Отсутствие аварий переходных опор объясняется особой важностью переходов для энергосистемы страны и высоким уровнем технического обслуживания. Тем не менее, для основной массы обследованных конструкций (85%), независимо от срока эксплуатации, отмечаются нарушения покрытий'дневной маркировки и антикоррозионной защиты (в первую очередь растрескивание, отслаивание, а также развитие подпленочной коррозии), нарушения цинкового покрытия (коррозия пятнами).

Наиболее характерным видом коррозионного износа переходных опор является сплошная равномерная коррозия (поражено 38% обследованных конструкций). Интенсивная щелевая коррозия наблюдается преимущественно на опорах, находящихся в эксплуатации более 20 лет (поражено 25% опор). Местная коррозия в виде язв характерна для узлов опирания ствола опор на фундамент.

На долговечность эксплуатируемых конструкций существенное влияние оказывают механические повреждения, возникающие вследствие динамического характера нагрузок от ветра на конструкции опор и нагрузок от проводов и тросов: ослабления болтовых соединений (54% обследованных опор), искривления элементов (16%), местные погнутости (30%), смещения элементов поясов с геометрической оси (18%).

Статистический анализ результатов обследования технического состояния переходов ВЛ позволил установить повреждаемость конструктивных элементов переходов (рис.1).

Повреждения фундаментов опор Механические повреждения опор Коррозионные повреждения опор Повреждения изоляторов Повреждения проводов Повреждения тросов Повреждения узлов подвески Повреждения светоограждения

0

Рис. 1. Повреждаемость элементов больших переходов ВЛ

Выполненные натурные обследования и анализ опыта эксплуатации переходов ВЛ через большие водные пространства позволили установить повреждаемость их конструктивных элементов и наиболее значимые факторы, влияющие на надежность и долговечность: износ узловых соединений опор в

условиях агрессивности атмосферы и динамические нагрузки от проводов и тросов при гололедно-ветровых воздействиях.

В главе 3 представлены результаты коррозионно-механических испытаний болтов в соединениях опор ВЛ. В качестве объектов исследования были выбраны односрезные одноболтовые и фланцевые соединения, применяемые в конструкциях траверс переходных опор ВЛ. Целью исследования являлось получение экспериментальных данных о влиянии агрессивности среды и напряженного состояния болтовых соединений на изменение геометрических и прочностных характеристик болтов. Были выполнены ускоренные коррозионные испытания моделей болтовых соединений, механические испытания болтов (на разрыв) и металлографические исследования болтов.

Изучение процессов коррозионного разрушения болтов под напряжением

Таблица 1 - Модели болтовых соединений

Номер Тип Модель для испытаний Количество моделей

Фланцевое соединение на болтах М16х60 нормальной точности

4,-

Ь=10мм

54

27

Одноболтовое соединение на срез на болтах М16х50 нормальной точности_

-

Ь=15мм

54

27

проводилось на материальных (физических) моделях фланцевых и одноболтовых одно-срезных соединений. В соответствии с программой экспериментального исследования модели разделены на две группы (табл. 1). Проводились одновременно коррозионные испытания болтов в напряженном состоянии (тип А), а также испытания болтов без нагрузки (тип Б).

Моделирование физико-химических и механических воздействий осуществлялось путем варьирования двух факторов на трех уровнях.

В эксперименте в качестве входного воздействия агрессивности среды принят фактор Хг - концентрация в атмосфере сернистого ангидрида Б02, при непрерывном воздействии фазовой и адсорбционной влаги. Значение фактора .А^ для разных уровней варьирования составляло 20; 80 и 140 мг/(м2-сут).

Напряженное состояние болтового соединения представлялось двумя характеристиками. Уровень напряженности (фактор Х2) определялся отношением создаваемого напряжения в болте к его несущей способности (0,3; 0,6 и 0,9 от расчетного сопротивления). Контроль напряжений в болте осуществлялся при помощи тензометрической станции СИИТ-3 и тензодатчиков ПКБ-10-200. Вид напряженного состояния определялся характером приложения нагрузки к соединению, вызывающей либо растяжение болта (для фланцевых соединений), либо срез болта. Вид напряженного состояния не варьировался и принимался постоянным для каждого типа соединения.

Реализация всех сочетаний входных воздействий при проведении полного факторного эксперимента требует постановки большого числа опытов и изготовления большого количества моделей. Учитывая это, применен несимметричный насыщенный план Рехтшафнера, определяющий число, условиями порядок реализации опытов. Точки плана отражали упорядоченную совокупность численных значений входных факторов на разных уровнях варьирования, соответствующую условиям проведения опытов.

Продолжительность экспериментальных исследований в испытательных камерах составляла 210 сут.

После завершения коррозионных испытаний болтовых соединений все болты были подвергнуты испытаниям на растяжение при помощи универсальной разрывной машины УММ-50.

В качестве параметров «выходной» информации приняты потери массы болтов (г/м2), определяемые гравиметрическим методом, и прочностные свойства болтов (временное сопротивление, определяемое по разрывному усилию).

Полученная первичная «выходная» информация свидетельствовала о существенном снижении прочности болтов (разрывного усилия) и значительном коррозионном износе болтов в зависимости от агрессивности среды и напряженного состояния болтов.

Для дополнительной оценки результатов ускоренных коррозионных испытаний был использован металлографический метод, который позволил установить вид и глубину коррозионного поражения болтов.

В результате статистической обработки выходной информации коррозионных и механических испытаний болтов получены двухфакторные регрессионные модели, описывающие уменьшение размеров поперечного сечения и изменение прочностных характеристик болта во времени в зависимости от агрессивности среды (Х\) и создаваемого в нем напряжения (ЛУ-

Глубина коррозионного поражения болта описывается квадратичной функцией вида:

/1С(г)=а/ + р// + у/,мкм. (1)

где г - время эксплуатации конструкции опоры, год;

&/> Р/, у/ — параметры, характеризующие коррозионные потери болта в зависимости от условий эксплуатации.

Временное сопротивление болтов описывается линейной функцией вида:

Я(О=аЛ+0ЛМИПа, (2)-

где - ай, (Зя - параметры, характеризующие прочностные свойства болта в зависимости от условий эксплуатации.

Переход к реальному времени эксплуатации в натурных условиях от продолжительности экспозиции моделей в испытательных камерах осуществлялся по стандартным методикам на основании коррозионных потерь контрольных образцов из листовой стали.

При регрессионном анализе использован принцип постепенного усложнения модели, т.е. переход от простых моделей к более сложны^. Для описания функций отклика а, р и у в зависимостях (1), (2) использовались полиномиальные модели первого и второго порядка. Определение сумм квадратов отклонений и доверительных интервалов значений для функций отклика позволило установить, что параметры, характеризующие кинетику коррозионно-механи-ческих процессов в болтах, лучше описываются линейными моделями.

Для каждого типа болтового соединения получены регрессионные модели:

«=/„№д;)

Р=/РСВД)[ (3)

где Х{,Х'2 - факторы входных воздействий, представленные в виде

Х,-80 2 ЛГ, -0,6 X = —1-мг/(м • сут) и Ху = —5-;

1 60 3 2 0,3

/(Х[,Х2) - полиномы первой степени вида:

,Х2)^а0 + а,Х; +а2Х'2. (4)

Значения коэффициентов ао, а\ и а2 регрессионных моделей (3) для зависимостей (1), (2) разных типов болтовых соединений приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Коэффициенты регрессионных моделей

Геометрические характеристики болтов Прочностные свойства болтов

1 5 I фланцевое соединение соединение на срез класса прочн. 6.6 во фланцевом соединении класса прочн. 5.8 в соединении на срез

а; Р» У1 а/ & Г/ ая Ря Ря

ао 17,099 -6,126 5,929 3,390 6,498 0,682 697,540 -19,086 598,025 -19,770

01 1,831 -6,763 7,000 0,461 4,284 0,886 -0,473 -17,081 -4,284 -15,245

аг -0,324 1,226 -1,104 -0,035 2,459 -0,549 -1,012 1,063 -12,240 0,841

Изучение характера разрыва болтов, а также обобщенный анализ результатов коррозионных, механических и металлографических исследований болтов позволили сделать вывод о том, что коррозия болтов в условиях реальной работы и агрессивности атмосферы представляет собой сложный процесс. Ее скорость прежде всего определяется степенью агрессивности среды эксплуатации. Существенно интенсифицирует скорость коррозии болтов наличие концентраторов напряжений в зонах соединения головки болта со стержнем. Кроме того, на усиление процесса разрушения металла болтов оказывает влияние щелевая коррозия в зазорах болтовых соединений.

Как видно из таблицы 2, на ее развитие оказывают влияние и уровень напряженности болта, и характер его работы в соединении. Таким образом, в результате коррозионно-механических испытаний установлена значимость факторов напряженного состояния болтовых соединений и агрессивности эксплуатационной среды на коррозионный износ и прочностные свойства болтов. Предложенные регрессионные модели позволяют прогнозировать долговечность болтов в соединениях опор ВЛ.

В главе 4 проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния переходов ВЛ при учете динамических гололедно-ветровых и аварийных нагрузок, возникающих в результате подскока проводов при сбросе гололеда и обрывах проводов. Существующая нормативная база не предусматривает учет этих нагрузок на конструкции переходных опор.

Анализ природы явления сброса гололеда позволил установить, что решающее импульсное воздействие на переходные опоры оказывает падение, т.е. обратное движение проводов после их подскока.

Предложена математическая модель продольных колебаний провода длиной Ь в вертикальной плоскости после сброса гололеда с учетом падения провода с высоты подскока (рис. 2) под действием рывка с мгновенным распределением поля скоростей:

и

где знак «минус» - при 0<х<Ь/2, а знак «плюс» - при Ы2< х<Ь;

mg - погонный вес провода, Н/м; Т — тяжение провода, Н; а - коэффициент, характеризующий отклонение провода от ГОрИЗОН-

тР ш?

тали (ось X), 1/м, в общем случае - <а< .

Подскок провода в одном из пролетов анкерованного участка вычисляется по известной формуле:

ю,

= (/0-/112-(//1000)],

(6)

где ют - максимальное вертикальное перемещение средней точки провода рассматриваемого пролета, м; / - длина пролета, м; /о — исходная стрела провеса провода, покрытого гололедом, м;/\ - стрела провеса провода после сброса гололеда в установившемся равновесном положении, м.

Уравнения продольных колебаний провода длиной Ь записываются отдельно для 0<х<Ы2 в виде:

д2и

а/2

- = с

2 д2и дх2

и для Ь /2<х<Ь в виде:

■ = с

д21г

81' дх2 ' с начальными и краевыми условиями:

I л Зи

Г=0 ОТ

(=0

Чх=0

-V '

'72

8и

а*

(7)

(8)

(9)

где X = ^х-^ сЬс - длина провода в установившемся рав-

новесном положении, м; с = - скорость распространения упру-

гой волны в проводе, м/с; Е—модуль Юнга, кг/м2; § — ускорение свободного падения (9,81 м/с2);р - плотность материала провода, кг/м3.

В результате решения уравнений (7) - (9) в виде разложения в ряд Фурье по синусам, при предположении Ь = Ь, получено значение напряжения в любой точке провода для общего случая падения с произвольной высоты подскока:

2Ь

ск

И=1

(2и-1)2 т<2и-1)3

. л(2и-1) тс(2«-1)

■Х51П—--М-СОй—-^

I I

В рамках предложенной математической модели напряженно-деформированного состояния провода после подскока при сбросе гололеда проведены численные исследования по определению тяжения проводов различных марок, подвешенных в пролетах разной длины в зависимости от условий натяжения (по допустимым напряжениям или максимальном стрелам провеса), и при различных остаточных гололедных нагрузках равномерно распределенным по длине провода.

В результате исследований установлен характер распространения возмущений при сбросе гололеда во времени и по длине пролета, выявлена форма импульса в приопорном сечении провода. На рис. 3 представлена иллюстрация исследований для проводов марки АС-500/ЗЗб при их подвеске по максимально допустимой стреле провеса из условия соблюдения вертикальных габаритов.

13000 -г

12000 - ■

Н 11000 --

<и я я 10000 ■

1 9000 - -

Н 8000 -7000 • -

Рве. 3. Изменение тяжения во времени в приопорных сечениях провода АС-500/336 для различных пролетов при условии полного сброса гололеда:

1 - тяжение провода при динамическом расчете для пролета 400 м; 2 - то же для пролета 900 м; 3 - то же для пролета 1500 м; 4 - установившееся статическое тяжение провода для пролета 400 м; 5 - то же для пролета 900 м; 6 - то же для пролета 1500 м.

Статистический анализ полученных численных результатов позволил установить форму и характеристики импульсов по длине пролета. На рис. 4 представлены результаты определения динамической составляющей тяжения в при-опорной зоне провода и продолжительность его действия.

Определяющую роль на динамическую составляющую тяжения при сбросе гололеда оказывает исходная стрела провеса провода. Провода с большим натя-

жением, а соответственно и с меньшей стрелой провеса, менее повержены динамическому воздействию, по сравнению с проводами, подвешенными из условия максимальной стрелы провеса. Этот фактор обуславливает зависимость между длиной пролета и динамической составляющей, поскольку с увеличением пролета возрастают и стрелы провеса, а

3

■ При полном сбросе гололеда (с=0мм) В При частичном (50%) сбросе гололеда (с=10мм)

32-■

¡Г 24 - -

га чр & ^

о «

0 К

1 ¡16 +

к а

о о

о о о о о о

м г-

г-Г00-^

I «ш

(Ч I „ —о* —•

III

гг- «

•"Г —

Пролет 400 м

о о •ч-

и <

ч

о со о

£

Пролет 900 м

3

о о. С

о о чг

и <

о О.

с

I

о £

Пролет 1500 м

0 тг

1

О

о §

о о. С

о 3

о н о

О §

< 3

3 3

2 о•

т с о

о. и

о

о тГ чо о о о

I

§

05 О

£

Рис. 4. Характеристики импульсов на конструкции переходных опор, возникающих при сбросе гололеда с проводов:

а - динамические составляющие тяжения при подвеске проводов с максимально допустимой стрелой провеса; б - продолжительность действия импульсов.

Продолжительность действия импульса на опору при сбросе гололеда с проводов не зависит от геометрических и прочностных характеристик проводов, количества сброшенного гололеда, а определяется только длиной пролета.

о

С целью изучения совместной работы системы «провод — опора» выполнены исследования напряженно-деформированного состояния опор при импульсных нагрузках от проводов с использованием программного комплекса 1лгашт 5.0.3.

Изучено динамическое поведение типовых анкерных переходных опор разных типов при сбросе гололеда с проводов одного или двух смежных пролетов в различных сочетаниях. Характеристики импульса принимались в соответствии с установленными значениями при моделировании процесса падения с высоты подскока провода марки АС-500/336 для пролетов 900 м. Расчеты показали существенное влияние динамических импульсов от проводов на величину усилий в элементах анкерных переходных опор. Для наиболее нагруженных элементов различных зон опоры Рис. 5. Зонирование опоры АЛ 330-2/70 (рис. 5) представлены результаты оп-АП 330-2/70 ределения динамических составляющих усилий

при сбросе гололеда с проводов (рис. 6). а б

X R VIIIc

И и IXc

Хс 1

Рве. 6. Динамические составляющие усилий (в % от статических усилий при режиме гололеда при ветре q=0,25qm<i) в наиболее нагруженных элементах опоры All 330-2/70 при моделировании сброса гололеда в двух пролетах:

а - растянутый элемент пояса; б - сжатый элемент пояса; в - растянутый элемент решетки; г - сжатый элемент решетки.

Также исследовано напряженно-деформированное состояние анкерной опоры большого перехода при обрыве проводов. Форма импульсного воздействия на конструкцию переходной опоры и его характеристики принимались по аналогии с существующими моделями, описывающими явление обрыва проводов на воздушных линиях. Динамические режимы нагружений при обрыве проводов сравнивались с нормативными статическими (аварийными) режимами работы ВЛ. Результаты выполненных исследований динамических составляющих усилий в элементах опоры АП 330-2/70 при аварийных режимах работы, представлены на рис. 7.

а б

72 71 67 65

^ = = X

250 200 -150 -100 50 0

%

54

196

93 93 106 ИЗ

149

29 т 39

Я Н Н I

= = > > >

3 в * X > >

Рис. 7. Динамические составляющие усилий (в % от статических усилий при аварийном режиме) в наиболее нагруженных элементах опоры АП 330-2/70 при обрыве проводов на верхней и средней траверсе:

а - растянутый элемент пояса; б - сжатый элемент пояса; в - растянутый элемент решетки; г - сжатый элемент решетки.

Изучение поведения анкерной переходной опоры при обрыве провода позволило установить значительное превышение усилий в элементах при учете динамического характера нагрузок по сравнению с усилиями, вычисленными для аварийных режимов статического расчета, рекомендуемых нормами на проектирование конструкций опор ВЛ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследования технического состояния 14 больших переходов воздушных линий электропередачи напряжением 220-750 кВ, эксплуатируемых в Украине, позволили установить повреждаемость их конструктивных элементов и наиболее значимые факторы, влияющие на долговечность: износ болтовых со-

единений опор и динамические нагрузки при сбросе гололеда с токоведущих проводов, грозозащитных тросов и при их обрыве.

2. При коррозионно-механических испытаниях болтовых соединений установлено существенное снижение временного сопротивления болтов на 17-30%. В результате статистической обработки экспериментальных данных рекомендованы регрессионные модели для прогнозирования геометрических и прочностных характеристик болтов фланцевых и односрезных соединений в зависимости от уровня напряженного состояния и агрессивности эксплуатационной среды.

3. Разработанная математическая модель для описания напряженно-деформированного состояния проводов и тросов при сбросе гололеда, позволяет определять характеристики импульсов по длине пролета. В результате численных исследований установлено, что при учете динамического поведения проводов больших переходов тяжение в них увеличивается в зависимости от марки провода и длины пролета на 0,64-31,2%. При этом продолжительность действия импульса на опору изменяется в пределах 0,04-0,16 с для пролетов 400-1500 м.

4. Динамические расчеты показали значительное влияние импульсных нагрузок от проводов и тросов на величину усилий в элементах анкерных переходных опор. Динамические составляющие по отношению к усилиям для соответствующих статических режимов изменяются от 1,6% до 13,8% при сбросе гололеда, от 54% до 206% при обрыве проводов. Обоснована необходимость учета динамического характера нагрузок, связанных с явлениями сброса гололеда и обрыва проводов, при проектировании, обследовании и реконструкции больших переходов ВЛ.

5. Материалы исследований использованы при разработке отраслевого нормативного документа Минэнерго Украины «Металлические и железобетонные опоры воздушных линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше. Методические указания по оценке технического состояния и перерасчету», а также внедрены при оценке технического состояния больших переходов в Днепровских и Донбасских магистральных электрических сетях.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Металев1 та затзобетонт опори повпряних лшш електропередач напругою 35 кВ та бшьше. Методичш вказЬвки з ощнки техшчного стану т; перерахунку / Горохов е.В., Шаповалов С.М., Молчанов В.М., Наим Я.В. Самойленко М.€., Бакаев С.М., Токар Б.е. - К.: «Енергопрогрес», 1996. - 59 с.

2. Шаповалов С.Н., Назим Я.В. Перерасчет конструкций по данным на турного освидетельствования // Повышение надежности и долговечности элек тросетевых конструкций. - К.: Техшка, 1997. - С. 175-195.

3. Горохов Е.В., Шаповалов С.Н., Бакаев С.Н., Самойленко М.Е., На-зимЯ.В. Исследование коррозионных процессов металлоконструкций ВЛ и ОРУ // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. - К: «Знание», 1995. - Вып. 47. - С. 35-41.

4. Шаповалов С.М., Бакаев С.М., Наз1м Я.В. Довгов1чшсть болтових з'ед-нань 1 цинкових покритпв метиз1В // Труды Междунар. конф. «Теория и практика металлических конструкций». - Том 1. - Донецк. - 1997. - С. 157 -164.

5. Шаповалов С.М., Наз^м Я.В. Експериментальш дослщження корозшного зносу болтових з'еднань // 36. праць 1У-Т м1ЖнародноТ конференцп-виставки «Короз1я-98. Проблеми кopoзiГтa протикорозшного захисту конструк-цшних матер1ашв». - Льв1в. - 1998. - С. 163-167.

6. Горохов Е.В., Шаповалов С.Н., Назим Я.В., Гусаков В.Н., Митра-ков В.А., Шаньгин В.А. Математическое моделирование колебаний проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи // Труды Междунар. конф. «Теория и практика металлических конструкций». - Том 2. - Донецк. -1997.-С. 116-125.

7. Назим Я.В. Обследование больших переходов воздушных линий электропередачи Днепровских магистральных сетей // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. - Макеевка. -1998. — Вып. 98-4(12).-С. 155-162.

АНОТАЦШ

Наз1м Я.В. Експлуатацшш фактори довпдачноеп великих переход1в пов1тряних лшш електропередачь - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.23.01 - Буд1вельш конструкцн, буд1вл1 та споруди. -Донбаська державна академ1я буд1вництва 1 арх^ектури Мшютерства осв1ти Укра'ши, Макпвка, 1998.

Дисертацщ присвячена дослщженню ступеня впливу фактор1в експлу-атацп на довгов1чшсть великих переход1В повиряних лшш електропередач1 з урахуванням IX конструктивних особливостей 1 умов робота. Запропоноваш регресшт модели для прогнозування геомегричних I м1цшсних характеристик болпв фланцевих 1 однозр1зних з'еднань опор у залежносп в\д р1вня 1х напруженого стану та агресивност1 середовища експлуатацн. Виконаш чисельш дослщження напружено-деформованого стану проводов, троав 1 конструкцш опор великих переход!в ПЛ дозволили обгрунтувати необхвдшсть урахування динам1Чного характеру навантажень, пов'язаних ¡з явшцами скидання ожеледо та обрив1в провод1в, при проектуванш, обстеженш та реконструкцп переходов.

Ключов1 слова: велию переходи пов1тряних лшш електропередач1, експлуатацшш фактори, довпдачнють, напружено-деформований стан, моделювання, динам1чна поведшка.

АННОТАЦИЯ

Назим Я.В. Эксплуатационные факторы долговечности больших переходов воздушных линий электропередачи. - 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 Украины, Макеевка, 1998.

Диссертация посвящена исследованию степени влиянид факторов эксплуатации на долговечность больших переходов воздушных линий электропередачи с учетом их конструктивных особенностей и условий работы.

Выполненные исследования технического состояния больших переходов ВЛ, эксплуатируемых в Украине, позволили установить наиболее значимые факторы, влияющие на долговечность: износ болтовых соединений опор и динамические нагрузки при сбросе гололеда с токоведущих проводов, грозозащитных тросов и при их обрыве.

Исследованы процессы коррозионного разрушения болтов под напряжением. В результате коррозионно-механических испытаний болтовых соединений с применением теории планирования эксперимента предложены регрессионные модели для прогнозирования геометрических и прочностных характеристик болтов фланцевых и односрезных соединений опор в зависимости от уровня их напряженного состояния и агрессивности эксплуатационной среды.

Разработана математическая модель для описания напряженно-деформированного состояния проводов и тросов при сбросе гололеда, позволяющая определять характеристики импульсов по длине пролета. Численные исследования позволили установить, что при учете динамического поведения проводи больших переходов продольные усилия в них увеличиваются в зависимости от марки провода и длины пролета на 0,64-31,2%. При этом продолжительносп действия импульса на опору изменяется в пределах 0,04-0,16 с для пролето! 400-1500 м. Динамические расчеты показали значительное влияние импульсных нагрузок от проводов и тросов на величину усилий в элементах переход ных опор. Динамические составляющие по отношению к усилиям для соответ ствующих статических режимов изменяются от 1,6% до 13,8% при сбросе голо леда, от 54% до 206% при обрыве проводов.

Изучение напряженно-деформированного состояния проводов, тросов I конструкций переходных опор позволило обосновать необходимость учета ди намического характера нагрузок, связанных с явлениями сброса гололеда и об

рыва проводов, при проектировании, обследовании и реконструкции больших переходов BJI.

Ключевые слова: большие переходы воздушных линий электропередачи, эксплуатационные факторы, долговечность, напряженно-деформированное состояние, моделирование, динамическое поведение.

ABSTRACT

Nazim Ya.V. The operation factors of longevity of large transmission line crossings. - Manuscript.

Dissertation work for Competition for the Candidate's Degree (Engineering), Speciality 05.23.01 - Engineering Structures, Buildings and Constructions. - The Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of. the Ministry of Education of the Ukraine, Makeevka, 1998.

The dissertation work deals with the investigation of the degree of operation factors effect on the longevity of large transmission line crossings with their structural peculiarities and operating conditions taken into consideration. Regression models are proposed to describe the change of geometrical and strength characteristics of the bolts at flange and one-cut joints of supports depending on the level of stress at bolts and corrosiviti of operation medium. The performed numerical investigation of the stressed-strained state of conductors and structures of transmission lane crossings have made it possible to substantiate a necessity of taking into account the dynamic character of loads connected with the phenomena of ice shedding by conductors and their breakage when designing, investigating and restructuring the crossings under operation.

The keywords: large transmission lane crossings, operation factors, longevity, stressed-strained state, simulation, dynamic behaviour.