Внешние атмосферные воздействия на воздушную линию. Эолова вибрация

Внешние атмосферные воздействия на воздушную линию. Эолова вибрация Классификация внешних воздействий на ВЛ Внешние воздействия Гололёдные образования Ветровые воздействия Температурные воздействия Коррозия Воздействия от грозовой деятельности Гололёдно-изморозевые отложения на проводах и тросах ВЛ Разновидности гололёдноизморозевых отложений Чистый гололёд Иней и кристаллическая изморозь Зернистая изморозь Оледенелый мокрый снег Сочетания отложений различного вида Интенсивность гололёдных образований в России Карта районирования территории РФ по толщине стенки гололёда Гололедные явления на юге России Гололедные явления (МЭС Юга, ВЛ 330 кВ «Черкесск-Баксан», апрель 2003г) Гололед с грозозащитного троса ВЛ 220 кВ «Шепси – Дагомыс» (февраль 2007 г.) 7 Наблюдения за интенсивностью гололёдных образований на метеостанциях Гололёдная нагрузка, действующая на провод, является распределённой. Обработка данных по зарегистрированным гололёдным образованиям Зарегистрированные гололёдные образования взвешиваются и приводятся к эквивалентному по массе гололёду, круглой цилиндрической формы с плотностью льда ρг = 0,9 г/см3: 1 2 m1 = m2 = 0,9v2 bэ(H) bэ bэ(H) – эквивалентная по массе толщина стенки гололёдного цилиндра на высоте H ≈ 2 м. bэ – эквивалентная по массе толщина стенки гололёдного цилиндра на высоте 10 м. Толщина стенки гололёда растёт с увеличением высоты над землёй (H). По толщине стенки гололёда территория России разделена на семь гололёдных районов и особые районы по гололёду (согласно ПУЭ-7) Район по гололёду Нормативная толщина стенки гололёда bнэ, мм I II III IV V VI VII Особый 10 15 20 25 30 35 40 > 40 bнэ– нормативная толщина стенки гололёда, которая является максимальной с повторяемостью 1 раз в 25 лет толщиной стенки гололеда цилиндрической формы плотностью 0,9 г/см3, отложившего на проводе диаметром 10 мм, расположенном на высоте 10 м над поверхностью земли. Унифицированные опоры рассчитаны на нормативные нагрузки, заложенные в ПУЭ-6, действующем до 1 октября 2003 года. В ПУЭ-6 было четыре гололёдных района + особые районы по гололёду: Район по гололёду I II III IV Особый Нормативная толщина стенки гололёда bнэ, мм 5 10 15 20 > 20 В ПУЭ-6 нормативной считалась нагрузка повторяемостью: 1 раз в 5 лет для ВЛ до 35 кВ; 1 раз в 10 лет для ВЛ 35 – 330 кВ; 1 раз в 15 лет для ВЛ 500 кВ и выше . Учёт влияния высоты проводов на толщину стенки гололёда В качестве высоты провисающего провода принимается высота ниж расположения его центра тяжести над землёй hцт. Если провода подвешиваются на опоре на разных высотах, согласно ПУЭ допускается принимать всего одну поправку на толщину стенки гололёда в зависимости от высоты расположения приведённого центра тяжести для всей * системы проводов hцт (равной среднеарифметическому значению высот). Влияние диаметра провода на форму обледенения и толщину стенки гололёда За проводами малого сечения образуется более турбулентный поток. а) обдувание ветром проводов разного сечения Турбулентный поток способствует налипанию гололёдных образований с подветренной стороны провода. б) обледенение проводов разного сечения Толщина стенки гололёда уменьшается при увеличении диаметра провода свыше 10 мм. Ветровые воздействия на ВЛ Интенсивность ветрового воздействия на провод (трос) оценивается по ветровой распределённой нагрузке, воздействующей на его поверхность и называемой ветровым давлением (или скоростным напором): вv2 1,25v 2 v 2 W0    2 2 1,6 [ Н/м2 = Па ], (2.1) где v – скорость ветра, м/с2; ρв – плотность воздуха, кг/м3. Плотность воздуха определяется из уравнения состояния идеального газа: в  p , R 273    (2.2) где R=287 Дж/(кгК) – удельная газовая постоянная воздуха; p=1,013105 Па – нормальное давление воздуха (760 мм рт. ст.);  =10 С – температура воздуха. По ветровому давлению территория России разделена на семь ветровых районов и особые районы по ветру (согласно ПУЭ-7) Район по ветру I Нормативное ветровое 400 давление Wн0, Па (25) (скорость ветра vmax, м/с2) II III 500 (29) 650 (32) IV V VI VII 800 1000 1250 1500 (36) (40) (45) (49) Особый > 1500 (> 49) Нормативное ветровое давление Wн0 соответствует максимальной скорости ветра vmax с повторяемостью 1 раз в 25 лет, измеренной на высоте 10 м над поверхностью земли с 10-минутным интервалом осреднения. При выборе унифицированных опор следует иметь в виду, что в ПУЭ-6 : Район по ветру I II Нормативное ветровое 400 400 давление Wн0, Па (25) (25) (скорость ветра vmax, м/с2) III IV V VI VII Особый 500 (29) 650 (32) 800 (36) 1000 (40) 1250 (45) > 1250 (> 45) В ПУЭ-7 все ветровые районы сместились на один. Карта районирования территории РФ по ветровому давлению Для ВЛ 110 – 750 кВ нормативное ветровое давление должно приниматься не менее 500 Па, а для ВЛ, сооружаемых в труднодоступных местностях, ветровое давление рекомендуется брать соответствующим району на один выше, чем принято для данного региона. Нормативное ветровое давление при гололёде Нормативное ветровое давление при гололеде рассчитывается по формуле: 2 v Wгн  г max , 1,6 (2.3) где vг max – максимальная скорость ветра при гололёде с повторяемостью 1 раз в 25 лет (принимается в соответствии с региональным районированием ветровых нагрузок при гололёде или по данным наблюдений), м/с2. При отсутствии региональных карт и данных наблюдений принимается: - максимальная скорость ветра при гололеде vг max = 0,5vmax; - нормативное ветровое давление при гололеде Wнг = 0,25Wн0. (2.4) Для ВЛ до 20 кВ нормативное ветровое давление при гололеде должно приниматься не менее 200 Па, а для ВЛ 330 – 750 кВ — не менее 160 Па. Факторы, влияющие на интенсивность ветрового давления  Высота расположения приведенного центра тяжести проводов над поверхностью земли (с увеличением высоты скорость ветра возрастает по логарифмическому закону).  Тип местности, по которой проходит ВЛ. По условиям воздействия ветра на ВЛ различают три типа местности: • А – открытые побережья морей, озер, водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра; • В – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой не менее 2/3 высоты опор; • С – городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м, просеки в лесных массивах с высотой деревьев более высоты опор, защищенные извилистые и узкие склоновые долины и ущелья. Динамические ветровые воздействия Наиболее распространённые виды колебаний, вызываемые ветром Эолова вибрация Субколебания Пляска Основные виды колебаний под воздействием ветра Эолова вибрация Высокочастотные колебания проводов, происходящие в вертикальной плоскости в виде стоячих волн с частотой от 3 до 150 Гц и амплитудой, не превышающей обычно диаметр провода. Вибрация, как правило, возникает при скоростях ветра от 1 до 7 м/с (иногда до 9 м/с). Вибрации могут подвергаться все находящие применение на ВЛ провода и тросы, непокрытые гололёдом или равномерно покрытые инеем, вне зависимости от их сечения и материала изготовления. Причины возникновения эоловой вибрации Направление воздушного потока Провод Срывающиеся с провода вихри Амплитуда установившихся колебаний определяется из баланса энергий. Основная опасность эоловой вибрации а) усталостные повреждения провода в зоне выхода из поддерживающего зажима, обнаруженные на ВЛ 500 кВ «Балаковская АЭС – ПС Трубная» (построенной в 1988 г.) при верховом осмотре во время планового отключения в июне 2003 г. б) ремонт проводов поврежденного участка ВЛ с помощью спиральных ремонтных зажимов в) отремонтированные провода в поддерживающем зажиме В зависимости от конкретных условий усталостные повреждения могут произойти как через 3 месяца, так и через 20 лет и более. Факторы, влияющие на степень опасности вибрации  Расположение ВЛ (или её участков) относительно преобладающего направления ветра.  Характерные особенности местности, по которой проходит ВЛ.  Тяжение проводов и тросов.  Преобладающие длины пролётов.  Чаще всего самым тяжёлым вибрационным воздействиям подвержены провода и тросы на больших переходах через водные преграды. Меры борьбы с вибрацией Меры борьбы Пассивные меры Уменьшение тяжения Средства защиты Спиральные протекторы с грузами петлевые Гасители вибрации Гасители вибрации с грузами зажим провод груз стальной трос а) отечественный гаситель вибрации типа ГПГ б) ранняя модель гасителя Стокбриджа (1924 г.) в) современная модель гасителя Стокбриджа г) модель гасителя вибрации, у которого два неравных груза закреплены на тросе, имеющем неравные плечи по обе стороны от зажима. Современные отечественные гасители вибрации с двумя грузами в форме пешки, расположенными в разных плоскостях. Провод в зажиме и под гасителями защищён спиральным протектором. Эффективность гашения вибрации гасителями с грузами Эффективность гашения вибрации зависит от динамических характеристик гасителя определяются: 1) формой и массой грузов; 2) свойствами троса, его длиной и диаметром правильного выбора местоположения гасителей в пролёте гасители должны устанавливаться недалеко от концов пролёта, чтобы при вибрации они попадали в пределы крайних полуволн Петлевые гасители вибрации Обычно петлевые гасители делаются из фрагментов провода той же марки и сечения, что и провод защищаемой линии. Однопетлевые гасители на ВЛ во Франции Трёхпетлевые гасители вибрации По эффективности гашения трёхпетлевые гасители могут даже превосходить гаситель Стокбриджа при их установке с двух сторон пролёта. Субколебания и пляска проводов. Нормативные сочетания климатических условий Колебания проводов в подпролётах или субколебания Механизм развития субколебаний Этот вид колебаний возможен только на ВЛ СВН, имеющих расщеплённые фазы. Наветренный провод Подветренный провод Характеристика субколебаний распорка Такие колебания, вызываемые аэродинамическим следом, возникают при действии равномерных ветров скоростью от 4 до 18 м/с. Частота колебаний: f = 0,15 ÷ 10 Гц. Амплитуда: А = (0,5 ÷ 20) d, где d – диаметр провода. распорка Субколебания, как правило, возникают при отсутствии гололёдно-изморозевых отложений на проводах. В чём опасность субколебаний? В результате субколебаний возможны:  усталостные повреждения проводов в местах их крепления в элементах арматуры;  повреждения проволок наружных повивов в середине подпролёта из-за взаимных соударений проводов при колебаниях;  усталостные изломы деталей арматуры, которые могут сопровождаться последующим повреждением проводов. Повреждения ВЛ 500 кВ «Южная – Черный Яр» Восстановленный участок линии. Провод отремонтирован с применением спиральной арматуры. Время до появления повреждений в результате субколебаний – от 1 месяца до 8 лет и более. Меры борьбы с субколебаниями Меры борьбы Пассивные меры Уменьшение длин подпролётов Средства защиты Спиральные протекторы для защиты проводов в местах крепления зажимов распорок Распорки-гасители, устанавливаемые по специальным схемам с неравными длинами подпролётов Жесткие дистанционные распорки отечественного производства а) парная дистанционная распорка б) трёхлучевая глухая распорка для трёхпроводной расщеплённой фазы в) пятилучевая глухая распорка для пятипроводной расщеплённой фазы г) восьмилучевая глухая распорка для восьмипроводной расщеплённой фазы Распорки-гасители на зарубежных ВЛ луч рама демпферный узел а) трёхлучевая распорка-гаситель (Германия) в) шестилучевая распорка-гаситель (Южная Корея - Россия) б) трёхлучевая распорка-гаситель (США) г) четырёхлучевая распорка-гаситель (Канада) Распорки-гасители совместного производства ДП – ЭССП (Австралия – Россия) а) двухлучевая распорка-гаситель с зажимами болтового типа б) трёхлучевая распорка-гаситель с зажимами болтового типа в) трёхлучевая распорка-гаситель с обрезиненными зажимами Пляска проводов Это самые низкочастотные и высокоамплитудные колебания проводов, происходящие преимущественно в вертикальной плоскости с частотой от 0,08 до 3 Гц и амплитудой, которая может быть соизмерима со стрелой провеса провода и даже превышать её. 1 полуволна 2 полуволны 3 полуволны При пляске в пролёте образуются 1 ÷ 3 полуволны большой амплитуды. Появление пляски может быть ограничено 6 ÷ 8 пролётами ВЛ. Провод подвергается большим динамическим нагрузкам, т.к. воспринимает от ветрового потока очень большую мощность, которая во много раз больше мощности при эоловой вибрации. Пляска на ВЛ 110 кВ (видео) Причины возникновения и механизм развития пляски Пляска почти всегда вызывается устойчивым поперечным ветром со скоростью от 7 до 18 м/с, воздействующим на поверхность провода, покрытую несимметричным гололёдом. Причиной пляски может стать даже небольшой гололёд толщиной 1 ÷ 2 мм. Опасные последствия пляски  Повреждения элементов ВЛ: - повивов проводов; - изоляторов; - арматуры; - опор и их траверс.  Аварийные отключения ВЛ. Пляска может привести к самым тяжёлым последствиям и огромным убыткам за сравнительно короткий срок. Ориентировочное время до появления повреждений при пляске – от 1 до 48 часов. Гололедные явления и повреждения ВЛ в г. Сочи (декабрь 2001г.) Последствия пляски в МЭС Юга (Ростовэнерго, январь-февраль 2005г.) Автоматизированная информационная система контроля гололедообразования (АИСКГН) на Юге России Ставропольское ПМЭС Ростовское ПМЭС ПП ПК ПК ПП ПК ПК ПК Mainframe Mainframe 35 ПК (в т.ч. по радиосвязи -17, по GSM-каналу – 18) Резервный ПП на ПС Невинномысск, 5 пользователей МЭС Юга ЦСОД 12 ПК (GSM-канал), Резервные ПП на ПС Ростовская, на РП Волгодонск, 4 пользователя Кубанское ПМЭС Mainframe ПП Каспийское ПМЭС 15 пользователей Mainframe ПК ПП Mainframe ЦСОД – центр сбора и обработки данных 3 ПК (GSM-канал), 3 пользователя ПП – пункт приёма ПК – пункт контроля 76 ПК (GSM-канал), Резервные ПП на ПС Центральная, ПС Шепси, ПС Дагомыс, ПС Псоу, ПС Поселковая, ПС Тихорецк, ПС Вышестеблиевская, ПС Кубанская, 12 пользователей ПК Комплекты АИСКГН, установленные на ВЛ 220; 330 и 500 кВ Меры борьбы с пляской Меры борьбы Пассивные меры Методы защиты Усиление конструкции ВЛ Увеличенные расстояния между проводами, между проводами и тросами Электрическая плавка гололёда Механические гасители пляски Междуфазные изолирующие распорки Средства защиты Карта районирования территории РФ по частоте повторяемости и интенсивности пляски Наименьшие расстояния между проводами, а также между проводами и тросами на промежуточной опоре, нормируемые по условию пляски Частота повторяемости пляски: районы с умеренной пляской – не более 1-го раза в 5 лет; районы с частой и интенсивной пляской – более 1-го раза в 5 лет. dп-п и dп-т – наименьшие расстояния по горизонтали между проводами и между проводом и тросом; hп-п и hп-т – наименьшие расстояния по вертикали между проводами и между проводом и тросом. Полимерные междуфазные изолирующие распорки Общий вид полимерной междуфазной распорки: 1 – полимерный изолятор; 2 – зажим на проводе (3); 4 – вставка; 5 – экран. Установка междуфазных изолирующих распорок на ВЛ 330 кВ в МЭС Юга До 2003 г. на ВЛ 330 кВ «Черкесск-Баксан» каждый осенне-зимний период происходили обрывы проводов в одних и тех же пролётах. После установки междуфазных распорок обрывы прекратились. 50 В настоящее время на ВЛ 330 – 500 кВ МЭС Юга установлено 50 междуфазных распорок 51 Гасители пляски типа ТДД а) маятниковый гаситель Д. Хаварда в) аэродинамический гаситель А. Ричардсона б) гаситель пляски фирмы PLP – «спойлер» (от англ. SPOIL – портить, искажать) г) гаситель пляски маятникового типа фирмы ОРГРЭС, сконструированный Л.В. Яковлевым Крутильно-демпферный гаситель пляски типа TDD для ВЛ с расщепленными фазами зажим рама демпферный узел маятник с грузами а) гаситель пляски TDD для двухпроводной расщеплённой фазы, разработанный в 1980-е годы в Льежском университете (Бельгия) б) гаситель пляски TDD-3 для трёхпроводной расщеплённой фазы, сконструированный в ЗАО ЭССП А.А. Виноградовым (Бельгия – Россия) Температура воздуха  Изменения температуры воздуха, осредненной по мировой сети метеорологических станций Значения температур, используемые при механическом расчёте проводов и тросов Среднегодовая сг Низшая (-) Высшая (+) Температура при гололёде и нормативном ветровом давлении г: г = -5С, если сг > -5С; г = -10С, если сг ≤ -5С  Температура при грозовых и внутренних перенапряжениях гп=+15С.     Значения сг, (-) и (-) для какого-либо региона России и стран СНГ приведены в СНиП 23-01-99. Строительная климатология / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2000 – 58 с. Например, для Москвы: сг = +4,1С; (-) = -42С; (+) = +37С. Согласно рекомендациям ПУЭ, для Москвы: сг = +5С; (-) = -40С; (+) = +35С. Классификация состояний ВЛ при расчёте её механической части Состояния ВЛ Нормальный режим Аварийный режим Монтажный режим При необорванных проводах, тросах, гирляндах изоляторов и тросовых креплениях При оборванных одном или нескольких проводах, либо тросах, гирляндах изоляторов и тросовых креплениях В условиях монтажа опор, проводов и тросов Нормативные сочетания климатических условий для нормального режима ВЛ Расчетные условия Сочетания климатических условий Температура воздуха, С Толщина стенки Ветровое давление, Па гололеда, мм (скорость ветра, м/с) 1. Среднегодовая температура, ветер и гололед отсутствуют сг 2. Низшая температура, ветер и гололед отсутствуют (-) 3. Нормативное ветровое давление, гололед отсутствует г Wн0 4. Нормативная толщина стенки гололеда, ветер при гололеде г b нэ Wнг =0,25Wн0 (vг = 0,5v0) 5. Высшая температура, ветер и гололед отсутствуют (+) 6. Нормативная толщина стенки гололеда, ветер отсутствует г b нэ 7. Грозовые и внутренние перенапряжения гп Wнгп =0,06Wн0, но ≥ 50 Па Нормативные сочетания климатических условий для аварийного режима ВЛ Расчетные условия 1. Среднегодовая температура, ветер и гололед отсутствуют 2. Низшая температура, ветер и гололед отсутствуют 3. Нормативная толщина стенки гололеда, ветер отсутствует Сочетания климатических условий Температура воздуха, С Толщина стенки Ветровое давление, Па гололеда, мм (скорость ветра, м/с) сг (-) г b нэ Нормативное сочетание климатических условий для проверки опор по первой группе предельных состояний в монтажном режиме ВЛ Расчетное условие 1. Температура -15 С, ветер Сочетание климатических условий Температура Толщина стенки Ветровое давление, Па воздуха, С гололеда, мм (скорость ветра, м/с) -15 50* * Ветровое давление на высоте 15 м над поверхностью земли.