Введение
Обеспечение электричеством потребителей всегда связано со строительством линий. Наибольшее распространение в сельской местности, на открытых пространствах получили именно воздушные линии электропередач. По сравнению с кабельными они имеют меньшую стоимость и плотность застройки. В городах и крупных населенных пунктах, как правило, этот вид не используется.
Однако без проектирования и строительства воздушных линий электропередач сейчас невозможно обойтись. С экономической точки зрения это наиболее выгодный способ передачи энергии на большие расстояния. Передача под высоким напряжением (110 кВ и выше) позволяет с минимальными потерями обеспечить отдаленные районы электричеством.
Воздушная линия электропередачи - это устройство, служащее для передачи электроэнергии по проводам. Расположены такие ЛЭП на открытом воздухе и представляют собой трассы, то есть полосы земли, на которых с определенным промежутком смонтированы опоры.
Расчет и проектирование воздушных линий электропередач является важной частью строительства, потому как от результатов будет зависеть не только стабильность и качество поставляемой в дома потребителей энергии, но и безопасность. Поэтому осуществлять все этапы должны только опытные профессионалы, которые имеют достаточную квалификацию.
1. Опоры ЛЭП. Учет конкретных особенностей
Высоковольтная линия электропередачи представляет собой сложный конструктивный комплекс, который при нагружении работает как пространственная сетевая система, состоящая из конструкций опор, соединенных проводами и тросами.
В настоящее время в Украине при сооружении линий электропередачи высокого напряжения применяются в основном типовые унифицированные опоры ЛЭП, разработанные в 1968-70 гг. До этого времени применялись опоры и фундаменты проекта унификации 1960 г. Каждая типовая конструкция предназначена для применения в определенной области параметров, однако, в нашей стране, ввиду ее больших размеров и, в основном, равнинного рельефа, область применения каждой типовой опоры ЛЭП достаточно широка.
Строительство по типовым проектам неизбежно приводит к перерасходу материала, вызванному необходимостью перехода от требуемых размеров конструкций индивидуального строительства к ближайшим большим, имеющимся в каталоге изделий, охватываемых типовыми проектами. Эти потери компенсируются тем, что увеличивается серийность изделий, в соответствии с чем уменьшается их стоимость. В последнее время широкое распространение получили многогранные опоры ЛЭП, которые рассчитываются с учетом конкретных особенностей линии.
В практике электросетевого строительства высота опоры и зависящий от нее шаг опоры на линии привязываются к рельефу местности путем изменения пролета опоры и устройства унифицированных понижающих (повышающих) секций ствола опоры.
Эти обстоятельства приводят к неоправданному усилению поясов, решетки ствола, траверс и других конструктивных элементов опор линии.
Резервы несущей способности эксплуатируемой воздушной линии могут быть получены:
- в результате учета фактических ветровых, гололедных и температурных нагрузок и воздействий, имеющих место в районе исследуемой высоковольтной линии;
- за счет уточнения нагрузок от технологического оборудования: токоведущих проводов, грозозащитных тросов, изоляторов и арматуры;
- при уточнении постоянных нагрузок от собственного веса металлоконструкций, что существенно для переходных опор воздушных линий электропередач;
- в результате совершенствования методов определения нагрузок и расчета конструкций со времени проектирования воздушных линий электропередачи.
По направлению действия нагрузки на ВЛ можно подразделить на горизонтальные и вертикальные.
Основными нагрузками, определяющими размеры элементов опор и фундаментов опор ЛЭП, являются горизонтальные нагрузки, возникающие при воздействиях ураганного ветра или при сочетаниях ветра с гололедом, а также нагрузки, возникающие при обрыве проводов и тросов.
В этом отношении опоры электропередач резко отличаются от ряда других инженерных сооружений, размеры которых определяются в основном постоянными нагрузками от собственного веса и полезными технологическими нагрузками, для которых предназначены сооружения.
В расчетах опор учитываются нагрузки следующих видов:
А) Горизонтальные:
- ветровая нагрузка на конструкцию опоры;
- ветровая нагрузка на провода и тросы;
- нагрузка от тяжения проводов и тросов.
Б) Вертикальные:
- собственный вес опоры;
- вес гирлянд изоляторов (с арматурой);
- вес проводов и тросов (без гололеда и с гололедом).
2. Атмосферные нагрузки и воздействия
Провода воздушных линий и тросы работают в тяжелых условиях, подвергаясь действию ветра, гололеда, химических реагентов, находящихся в воздухе, вибрациям и т.д. В материалах проводов и тросов воздушных линий возникают большие механические напряжения.
Условия работы воздушной линии во многом зависят от климатических особенностей района, в котором она эксплуатируется, поэтому климатические условия должны быть положены в основу методики оценки технического состояния воздушной линии, так как на ее работу оказывают большое влияние режим температуры, ветра, влажность воздуха, условия, способствующие обледенению, и виды атмосферных отложений (гололед, изморозь), а также грозовые явления.
Характер климата любого района может быть установлен в результате статистической обработки систематических многолетних метеорологических наблюдений, на основании которых производится изучение причин возникновения той или иной погоды, ее устойчивости и изменчивости в различное время года. Такие наблюдения производятся на метеорологических станциях и постах во многих пунктах Украины.
Следует заметить, что иногда приходится ограничиваться материалами наблюдений за относительно короткие сроки. В некоторых же случаях результаты наблюдений и выводы не могут быть распространены на расположенные между метеостанциями участки со своим местным климатом, особенно в горных районах, когда высотное положение местности и степень ее доступности действию ветров не соответствует положению метеостанций. Если на участках с неизученными особенностями климата можно ожидать более тяжелых климатических условий, чем в окружающем районе, то при проведении технического обследования воздушных линий необходимо проведение специальных наблюдений и получение информации от энергосистем, управлений Министерства путей сообщения и связи и других ведомств.
Характеристики состояния воздуха, атмосферные процессы, которые наблюдаются на метеорологических станциях, атмосферное давление, влажность воздуха, температура, гололед, изморозь и другие атмосферные осадки, а также ветер и грозы называются метеорологическими элементами.
2.1 Ветровая нагрузка
Анализ статистических данных об отказах ВЛ показал, что 46,7% повреждений и разрушений опор происходит из-за недостаточности знаний о действии ветра. Основными причинами аварий были ошибки в назначении величины расчетной ветровой нагрузки, неправильное представление о характере ее распределения по сооружению, вибрация конструкций.
Если известны расчетная скорость ветра, его порывистость, профиль ветра по высоте, вероятность ветров различной силы и «роза ветров», может быть установлено действие ветра на проектируемую воздушную линию.
Таким образом, скоростной напор можно представить состоящим из постоянной слагающей, соответствующей средней скорости основного воздушного потока, и переменной, обусловленной пульсациями.
Динамическое воздействие пульсаций и связанных с ними порывов ветра проявляется тем больше, чем больше период собственных (свободных) колебаний сооружения, и в практике проектирования воздушных линий учитывается при расчете конструкций высоких металлических и железобетонных опор с периодом собственных колебаний более 0,25 сек. Для этого вычисленные или приведенные в строительных нормах и ПУЭ величины постоянной слагающей скоростного напора умножаются на динамический коэффициент, зависящий от пульсаций скоростного напора и от динамических характеристик сооружения.
При воздействии ветра на провода динамический эффект пульсаций скоростного напора в общем случае не наблюдается. Это объясняется очень малой жесткостью проводов, а также тем, что пульсации скорости ветра на разных участках провода (пролета) не имеют одновременно наибольшей величины, благодаря чему не могут существенно изменить постоянную слагающую скоростного напора.
В приземном слое атмосферы скорость ветра изменяется с высотой по логарифмическому закону.
Для опор ВЛ главное значение имеет горизонтальная слагающая ветра, исправление и скорость которой регистрируются при наблюдениях и в дальнейшем принимаются в качестве исходных данных при определении расчетных горизонтальных нагрузок. Непосредственным влиянием ветра на работу воздушной линии является его давление на провода, тросы и опоры. Кроме того, создавая поперечную нагрузку на провода и тросы, ветер увеличивает их натяжение. Большая ветровая нагрузка на провода и опоры может вызвать поломку и падение опор иногда с вырыванием недостаточно прочно укрепленных в грунте фундаментов.
Расчет механической прочности опор и проводов воздушных линий обычно проводят для случаев действия ветра при больших скоростях (25-30 м/сек и более), когда воздушный поток становится неоднородным по своему строению и наблюдаются порывы ветра. Частицы воздуха совершают турбулентное движение, что приводит к пульсации скоростного напора.
Таким образом, уточнение ветровой нагрузки, принимаемой при расчете ВЛ, возможно за счет уточнения скорости ветра. Учет местных метеорологических данных о скорости ветра дает возможность достаточно просто уточнить ветровую нагрузку, как правило, в сторону ее снижения по сравнению с действующими нормами. Для уточнения ветровой нагрузки существенно важен выбор метеостанции и учет фактических условий измерения скорости ветра. Эти вопросы могут быть квалифицированно решены только специалистами по прикладной климатологии. Поэтому основные исходные данные о скорости ветра следует получать только от организаций Госкомгидромета.
2.2 Нагрузка от гололеда
К числу гололедных образований относятся иней, кристаллическая и зернистая изморозь, гололед и смешанные образования из гололеда и изморози.
Для проводов ВЛ иней и кристаллическая изморозь не представляют существенной дополнительной нагрузки и не влияют на их механическую прочность.
К значительно более тяжелым условиям работы проводов может привести образование зернистой изморози, гололеда или их смеси.
Зернистая изморозь - снеговидный рыхлый лед, нарастающий с наветренной стороны проводов в туманную, преимущественно ветреную погоду, особенно в горах. Отложение зернистой изморози может достигать в толщину многих сантиметров, обладая достаточной прочностью: ее объемная плотность может достигать 0,4 г/см3.
Гололед - слой плотного льда (мостового или прозрачного), нарастающий на проводах преимущественно с наветренной стороны от намерзания капель переохлажденного дождя или мороси. Обычно наблюдается при температуре от 0 до -3°С, реже при более низких, вплоть до -16°С. Корка намерзшего льда может достичь толщины нескольких сантиметров в зависимости от количества адсорбированного воздуха колеблется в пределах 0,6-0,9 г/см3.
Изморозевые и гололедные отложения обычно бывают односторонними. Гололеды и плотные изморози прочно удерживаются на проводах.
На провода, покрытые изморозью, гололедом или облепленные снегом, действует большая добавочная вертикальная нагрузка и увеличивается площадь, на которую давит ветер.
Образование изморози происходит наиболее часто при температуре воздуха и провода около - 5°С. Воздух должен быть насыщен мельчайшими частицами переохлажденной воды (туман). Переохлажденные частицы воды, соприкасаясь с проводами, имеющими температуру ниже 0°С, кристаллизуются, образуя изморозь. Значительное количество изморози на проводах осаждается при большой влажности воздуха и ветре, наносящем на провода частицы воды. При ветре, направленном перпендикулярно линии, изморозь начинает откладываться на наветренной (подветренной) части провода. Поверхность провода, покрытая изморозью, увеличивается за счет проворачивания провода под действием веса изморози.
При направлении ветра вдоль линии провод покрывается изморозью равномерно по всей поверхности.
На проводах воздушных линий наблюдаются смешанные явления, например, на гололед нарастает изморозь, а свободные пространства между иглами изморози заполняются снегом и т.п. В значительных количествах на проводах может удерживаться только мокрый снег, сухой снег ссыпается с проводов.
Большие гололедно-изморозевые отложения наблюдаются в зоне смешения двух масс воздуха с разными температурами (холодный й теплый фронт). В этой зоне происходит интенсивная конденсация водяного пара, находящегося в более теплом воздухе. Большое количество капель переохлажденной воды, наносимой на провода, образует гололедно-изморозевые отложения значительного веса, приводящие иногда к повреждению линий.