ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОЛОЛЕДНЫХ НАГРУЗОК НА ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УЧЕТОМ ДАННЫХ МОДЕЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА : ВИЗНАЧЕННЯ ожеледного НАВАНТАЖЕННЯ НА повітряні лінії електропередач З УРАХУВАННЯМ ДАНИХ МОДЕЛЮВАННЯ ТА МОНІТОРИНГУ

Краткое описание

Министерство образования и науки Украины

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

На правах рукописи

ЛЕЩЕНКО АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОЛОЛЕДНЫХ НАГРУЗОК НА ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УЧЕТОМ ДАННЫХ МОДЕЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА

05.23.01 строительные конструкции, здания и сооружения

диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук

Научный руководитель
Назим Ярослав Викторович
к.т.н., доцент

Идентичность всех экземпляров диссертации
ЗАВЕРЯЮ:
И.о. ученого секретаря специализированного
ученого совета Д 12.085.01 Зайченко Н.М.

Макеевка 2013
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 5
РАЗДЕЛ 1 особенности гололедных нагрузок на воздушные линии электропередачи.. 11
1.1 Характеристика действия гололеда на воздушные линии электропередачи. 11
1.1.1 Общая характеристика воздушных линий электропередачи. 11
1.1.2 Физические условия образования гололедно-изморозевых отложений 13
1.1.3 Характеристика гололедных явлений на территории Украины.. 13
1.1.4 Повреждения ВЛ, вызванные обледенением. 15
1.2 Гололедные нагрузки на воздушные линии электропередач в нормах проектирования. 16
1.2.1 Нормирование гололедных нагрузок в СНиП2.01.07-85. 16
1.2.2 Нормирование гололедных нагрузок в современных украинских нормативных документах (ДБН В.1.2-2:2006 и ПУЕ:2006) 18
1.2.3 Сравнительный анализ нормативных документов регламентирующих гололедные нагрузки и воздействия на ВЛ.. 20
1.3 Взаимодействие провода ВЛ с гололедным отложением. 25
1.4 Системы наблюдения за гололедными нагрузками. 29
1.5 Теоретическое моделирование процесса гололедообразования на проводе ВЛ.. 35
1.6 Экспериментальные исследования гололедообразования. 39
1.7 Цель и задачи исследования. Структурная схема диссертации. 39
1.8 Выводы по разделу. 42
РАЗДЕЛ 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ процесса ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ НА ПРОВОДАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ.. 43
2.1 Исходные данные и выходные параметры модели гололедообразования 43
2.2 Эффективность столкновения частиц переохлажденной воды с цилиндрическим объектом. 44
2.3 Уравнение теплового баланса поверхности гололедного отложения. 49
2.4 Эффективность кристаллизации. 53
2.5 Временная зависимость в модели гололедообразования. 54
2.6 Плотность гололеда. 55
2.7 Реализация модели гололедообразования. 57
2.8 Исследование угла закручивания провода. 58
2.9 Выводы по разделу. 67
РАЗДЕЛ 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ процесса ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ НА ПРОВОДАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ.. 68
3.1 Разработка установки проведения экспериментальных исследований. 69
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований. 77
3.2.1 Общие требования к измерительному оборудованию.. 77
3.2.2 Описание образцов проводов ВЛ.. 78
3.2.3 Размещение образцов проводов ВЛ и эталонного стержня. 78
3.2.4 Измерение контролируемых параметров.

Список литературы

В диссертации решена актуальная научная задача повышения надежности воздушных линий электропередачи за счет применения усовершенствованных методов определения гололедных нагрузок и воздействий, учитывающих данные их моделирования и мониторинга. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Одиночные провода ВЛ, применяющиеся на ВЛ 35-110 кВ, обладают чрезвычайно низкой крутильной жесткостью, что обусловлено значительной длиной пролета по отношению к диаметру провода. В разработанной математической модели гололедообразования впервые учтено влияние закручивания провода на форму и диаметр гололедных отложений. Выполненные теоретические расчеты угла закручивания провода на начальном этапе процесса обледенения показывают, что даже при минимальном одностороннем гололедном отложении происходит существенное закручивание провода вокруг своей оси. Резкое увеличение угла поворота происходит на участках, расположенных непосредственно у зажимов на расстоянии 1/10 длины пролета. В остальной части пролета можно рассматривать провод ВЛ как свободновращающийся.
2. Разработанная методика испытаний и созданная экспериментальная установка на базе климатической камеры ДонНАСА позволили провести экспериментальные исследования гололедообразования с варьированием типов проводов ВЛ в зависимости от конструктивных условий крепления. Отличие массы гололедных отложений на исследованных образцах проводов, закрепленных жестко, и на образцах проводов, имеющих возможность вращения вокруг своей оси, не превышает 7-12%. Таким образом снижение гололедной нагрузки на ВЛ 35-110 кВ путем установки ограничителей закручивания малоэффективно. При этом полученные экспериментально формы гололеда для проводов, закрепленных жестко, доказывают возможный положительный эффект от установки подобных устройств локальное снижение сцепления гололеда с проводом за счет формирования односторонних гололедных отложений, что способствует сбросу гололеда с проводов.
3. Экспериментальные исследования устройства измерения гололеда показывают, что изменчивость направления ветра существенно влияет на гололедообразование для участков воздушных линий с разной ориентацией. Использование устройства измерения гололеда в составе автоматизированных метеопостов и учет изменения направления ветра по отношению к проводу ВЛ позволит прогнозировать уровень гололедной нагрузки на основании автоматических измерений метеопараметров в заданной географической точке.
4. Учет влияния скорости и направления ветра в теоретической модели Гудвина позволяет использовать ее в программном обеспечении автоматизированных гололедно-ветровых метеопостов, оборудованных ориентированными в определенных направлениях датчиками измерения гололедной загрузки для вычисления изменения веса ГИО в режиме реального времени. Разработанная методика определения гололедных нагрузок на ВЛ базируется на данных мониторинга гололедно-изморозевых отложений и автоматизированной базы учета данных гололеда для расчета характеристических значений гололедных нагрузок на ВЛ.
5. Разработанные устройства измерения гололедных нагрузок прошли испытания и введены в эксплуатацию в качестве элемента общей системы испытательного оборудования Полигона испытаний опор линий электропередачи и башенных сооружений, который является Национальным достоянием Украины и входит в состав Центра испытаний строительных конструкций и сооружений ДонНАСА, аккредитованного в системе Национального агентства по аккредитации Украины на соответствие требованиям международного стандарта ДСТУ ISO/IEC 17025:2006 (аттестат №2Н057 от 01.12.2011 г.), а также внедрены в составе метеорологических постов на электрических подстанциях ПС-220 кВ «Луцк-Южная» и ПС-330 кВ «Ивано-Франковск» Западной электроэнергетической системы НЭК «Укрэнерго». Результаты исследований были использованы при разработке нормативных документов Министерства топлива и энергетики Украины: СОУ-Н ЕЕ 20.667:2007, СОУ-Н ЕЕ 21.262:2008 и СОУ-Н ЕЕ 20.579:2009.

02 G 7/16. Устройство для обнаружения гололедных отложений / Г.А.Зинов, Р.М.Рудакова (СССР). № 4299601/24-07 ; заявл. 10.06.87 ; опубл. 30.07.89, Бюл. № 28. - 3 с.: ил.
02 G 7/16. Участок фазы линии электропередачи с изолированными проводами и устройством сигнализации о гололеде / В.С.Молодцов, М.М.Середин (СССР). № 4372938/07 ; заявл. 01.02.88 ; опубл. 15.01.91, Бюл. № 2. 3 с.: ил.
02 G 7/16. Устройство для обнаружения гололеда / В.Н.Борисов, С.К.Шиликбаев, И.И.Исаков, Ю.В.Соколов (СССР). -№ 4891924/07 ; заявл. 17.12.90 ; опубл. 15.10.92, Бюл. № 38. -5с.: ил.
М. Анализ равенств нахождения масштабных коэффициентов для имитации гололеда в климатической камере ДонНАСА / А.М. Алехин // Металеві конструкції. 2008. Т.14, №2. С.77-84.
М. Действительная работа антенных опор под действием гололедно-ветровых воздействий : дис. кандидата техн. наук : 05.23.01 / Алехин Андрей Михайлович. Макеевка, 2009 198 с.
Н. Эксплуатация воздушных линий электропередачи / В.Н.Андриевский, А.Т. Голованов, А.С. Зеличенко. М-Л. : Энергия, 1966. 624 с.
В. Горохов, М. И. Казакевич, С.М.Шаповалов, Я. В. Назим]; под ред. Е. В.Горохова, М. И.Казакевича. Донецк : [б.и.], 2000. 336с.
Г. Воздушные линии электропередачи: Вопросы эксплуатации и надежности / И. Г. Барг, В. И. Эдельман. М. : Энергоатомиздат, 1985. 248 с.
[пер. с англ.] / Дж. Бендат, А. Пирсолл. М. : Мир, 1989. 540 с.
П. Климатологические обобщения и применение информации о ветре и гололеде : дис. доктора географ., наук : 25.00.30 / Роберт Павлович Бернгардт. СПб., 2004. 43 с.
11. БошняковичА.Д. Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи / Андрей Драгомирович Бошнякович. Л.: Энергия, 1971. 296 с.
И. Аварийность воздушных линий электропередач напряжением 35 - 220 кВ / Э.И. Бронштейн, И.С. Колосов // Труды Фрунзенского политехнического института. - Фрунзе : Энергетика, 1969 Вып. 39. - С. 83-91.
В. Сооружение и эксплуатация линий электропередачи в сильно гололедных районах / Владимир Владимирович Бургсдорф М.: Госэнергоиздат, 1947. 196 с.
В., Муретов Н.С. Расчетные климатические условия для высоковольтной линии электропередачи. — Т. 1: Гололедные нагрузки воздушных линий электропередачи в СССР. -M.-JI.: Госэнергоиздат, 1960. 250с.
Е. Атлас обледенения проводов. -Л.: Гидрометеоиздат, 1966.- 116с.
Е. Гололед и борьба с ним. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 192с.

С., Головатюк М.К., Княжевская С.Я., Лебедева Н.А., Нарожный В.Б., Голованова Е.Д. Повышение надежности ВЛ распределительных сетей при гололедно-ветровых нагрузках // Энергетическое строительство за рубежом. № 6. 1988. С. 34-43.

В. Краевые условия для постановки испытаний в условиях искусственного обледенения / Е. В. Горохов, В. Н. Васылев, В. И. Коваль, А. М. Алехин // Металеві конструкції. 2007. Т.13, №2. С. 97-102.
В. Методика имитации гололеда на несущие профили антенных опор в климатической камере / Е. В. Горохов, В. Н. Васылев, А. М. Алехин // Металеві конструкції. 2010. Т.16, №2. С. 123-133.

- 800 кВ. Донбассэнерго. - Горловка. 1973. - 8 с.

- 1999 г. - № 99-6 (20). - С.35-43.

39. Княжевская С. Я. Климатическое обеспечение расчетов надежности систем электроснабжения// Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Вып. 47 «Надежность и безопасность стареющих систем энергетики». Киев: Знание. 1995. С. 111-116.

- 1993. - №3. - С. 30 33.

- 1999. - № 99-6 (20). - С.3-5.
44. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. - Мн.: Изд-во БГУ, 1982. - 302 с.
вітрові навантаження, галопування проводів повітряних ліній електропередавання та боротьба з ними : Довідково методичний посібник / [Г. Крижов, Т. Удод, Г. Гримуд]. К. : ДП НТУКЦ «АсЕлЕнерго», 2010. 456 с.

С. 182-188.

№4. С. 267-279.

- Київ. 2000. - 9с.

55. Назим Я. В. Исследования крутильной жесткости проводов для воздушных линий электропередачи // «Металеві конструкції» Макеевка, 2011. Том 17, №3. С. 199215.

В. Назим, А.А. Лещенко // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури : збірник наукових праць. Макіївка, 2009. Вип. 2009-5(79). С.22-25.
экспериментальных исследований образования гололедных отложений на проводах ВЛ в климатической камере / Я.В. Назим, А.А. Лещенко // Металеві конструкції. 2011. Том 17, Номер4. С. 275-288.

60. Назім Я.В. Експлуатаційні фактори довговічності великих переходів повітряних ліній електропередачі. Дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01. Макіївка, 1998. 193 с.

63. Нарожный В.Б. Оценка надежности на стадии проектирования ВЛ 10 кВ // Известия ВУЗов. Энергетика. 1986. №7. С. 49-51.

- К.,1998. - №5. - С. 11-15.
- 1989. - №9. - С. 36 39.
- 1990. - №8. - С. 35 37.

74. Обследование и испытание несущих конструкций зданий и сооружений/ Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Васылев В.Н., Ягмур А.А. Учеб. пособие. - К.: УМК ВО, 1991. - 156 с.
02 G 7/16. Устройство для обнаружения гололеда и «пляски» проводов воздушных линий электропередачи / Г.Х.Карабаев, Т.А.Кулиев. -№ 5008726/07 ; заявл. 10.09.91 ; опубл. 15.07.94, Бюл. № 13. -4 с.: ил.
02 G 7/16. Устройство контроля гололедообразования / А.Ф.Дьяков, И.И.Левченко, А.С.Засыпкин, А.А.Аллилуев. № 99121938/09 ; заявл. 19.10.99 ; опубл. 10.11.2000, Бюл. № 31. - 5 с.: ил.
- К.: УкрНДІПСК, 1999. - 185 с.
78. Перельмутер А.В. О разработке норм по нагрузкам и воздействиям/ Вестник ДонГАСА. - 1999 г. - № 99-6 (20). - С.102-106.
Махинько. Полтава, 2012. 460с.

83. Поляков Л.П., Файнбурд В.М. Моделирование строительных конструкций. - К.: «Будівельник», 1975. - 160 с.

89. РД 34.20.182 - 90. Методические указания по типовой защите от вибрации и субколебаний проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи напряжением 35 - 750 кВ. - СПО ОРГРЭС. М.: 1991. - 66 с.
90. Ржаницын А. Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.: Стройиздат, 1978. 239 с.
91. Ржевский С.С. Уроки системной аварии из-за пляски проводов на ВЛ 400-500 кВ // Электро. М., 2006. №6. С. 9-15.

94. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1991. 96 с.

97. СОУ-Н ЕЕ 20.571:2007. Оцінка технічного стану повітряних ліній електропередавання напругою від 35-750 кВ. Частина 1. Металеві та залізобетонні опори. Паспортизація ліній НТСЕУ, ОЕП «ГРІФРЕ», 2007. 124 с.

102. Тетиор А.Н., Померанец В.Н. Обследование и испытание сооружений. - К.: Вища шк., 1988. - 207 с.
103. Шаповалов С. Н. Теоретические основы и способы повышения эксплуатационных качеств электросетевых конструкций: Дис д-ра техн. наук: 05.23.01. Макеевка, 1998. 438 с.

- Макеевка: ДонГАСА, 1998. - 123 с.

107. Шимановский В.Н. Металлические конструкции. Нормативная база. Совершенствование конструкций зданий и сооружений// Металеві конструкції. 1998 г. - Том 1, № 1. С. 21-25.
108. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций: Пер. с нем. О.О. Андреева. М.: Стройиздат, 1994. 288 с.
109. Яковлев Л.В., Каверина Р.С., Дубинич Л.А. Комплекс работ и предложений по повышению надежности ВЛ на стадии проектирования и эксплуатации // Материалы Третьей Российской с международным участием научно-практической конференции «Линии электропередачи 2008: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс». Новосибирск, 2008. С. 28-49.
Draft NS 3491-4 // 1st International Codification workshop for wind loads. Bochum (Germany). - 2000. - 7 р.
// Atmospheric Icing of Power Networks; M. Farzaneh (ed.) Springer, 2008. pp. 119-169.
112. AIJ Recommendations for Loads on Buildings // Architectural Institute of Japan, AIJ. Tokyo. - 1996. - pp. 83-112.
113. Asai S. et al. Improvement of countermeasures for snow accretion. 5-th International workshop on Atmospheric Icing of Structures, 1990, Tokyo, Japan, report B7-2.
114. Belgian experience on initiatives to improve the capability of existing overhead lines / Lamsoul J., Rogier J., Couneson P., Van Overmeere A. // CIGRE 2000 session documentation. Report CIGRE 22-206. Paris. 2000.
Chester, United Kingdom, 2000. Session 7a.