ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Гримуд Григорій Іванович

УДК:621.315.1.059.7

РЕКОНСТРУКЦІЯ ЛІНІЙ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧІ
НА ОСНОВІ НОВИХ ПІДХОДІВ ДО ЇХ МОНІТОРИНГУ тА
ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2003

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Горохов Євген Васильович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, ректор, завідувач кафедри металевих конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Пічугін Сергій Федорович, Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, завідувач кафедри конструкцій з металу, дерева і пластмас;

кандидат технічних наук, доцент,

Ажермачов Геннадій Арсентійович, Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва, завідувач кафедри металевих і дерев'яних конструкцій.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра архітектурних конструкцій, Міністерство освіти і науки України (м. Львів).

Захист дисертації відбудеться “25” грудня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, , I навчальний корпус, Зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, ).

Автореферат розісланий “22” листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Югов А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час в енергосистемах України експлуатуються близько 22 тисяч кілометрів системоутворюючих магістральних повітряних ліній електропередачі (ПЛ) напругою 220-750 кВ, що не тільки забезпечують стратегічну безпеку країни, але і забезпечують спільну роботу енергосистем України з закордонними партнерами. В Україні існуючі повітряні лінії експлуатуються в аварійно-ремонтному режимі, тобто відновлення працездатності ліній здійснюється в основному при аварії, у зв'язку з чим гостро стоїть задача забезпечення певного рівня надійності експлуатованих будівельних конструкцій повітряних ліній електропередачі з урахуванням мінімізації витрат. Зв'язано це, насамперед, з нестачею фінансових коштів, виділених на будівництво нових ліній замість відпрацювавших свій вік, кількість яких постійно збільшується. Немаловажним аспектом даної проблеми є той факт, що будівництво повітряних ліній електропередачі здійснювалося відповідно до норм колишнього СРСР, що морально застаріли і мають потребу в перегляді, свідоцтвом чого є значна кількість аварій на ПЛ у 1998-2001 роках.

Тому тема дисертаційної роботи, присвяченої розробці і плануванню методик і заходів щодо реконструкції ПЛ, направлених на підтримку надійної експлуатації повітряних ліній на певному рівні з урахуванням мінімізації фінансових коштів, є дуже актуальною, оскільки спрямована на підвищення експлуатаційної надійності будівельних конструкцій магістральних ліній електропередачі, термін служби яких перевищує нормативний і, отже, приносить істотний економічний ефект.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної НДР Д-2-1-03 “Розробка програми забезпечення надійності конструкційних систем для попередження та усунення аварійних ситуацій і техногенних ризиків” (№ U000584). У цій роботі автором запропонована методика оптимального проектування реконструкції повітряних ліній електропередачі з урахуванням варіації кліматичних навантажень за профілем траси, інженерно-геологічних умов і конструктивної форми ПЛ.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики оптимального проектування реконструкції повітряних ліній електропередачі, що забезпечує надійну і безпечну експлуатацію ПЛ з урахуванням мінімізації витрат.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

- виконаний аналіз аварійності конструкцій повітряних ліній електропередачі, що знаходяться в експлуатації, для визначення рівня значимості факторів, які впливають на їхню надійність;

- розроблені автоматизовані метеопости для енергосистем України і методика з експлуатації ПЛ з урахуванням дійсної кліматичної ситуації;

- розроблена методика оптимального проектування заходів щодо реконструкції ПЛ з урахуванням профілю траси, уточнених кліматичних навантажень, гідрогеологічних умов і конструктивних особливостей ПЛ;

- запропонована методологія системи управління експлуатаційною надійністю ПЛ і рекомендації з підвищення надійності будівельних конструкцій повітряних ліній електропередачі з урахуванням умов експлуатації.

Об'єкти досліджень будівельні конструкції опор повітряних ліній електропередачі, на прикладі повітряної лінії 330 кВ “Запорізька 750 – Курахівська ТЕС”.

Предмет дослідження показники економічності, надійності і довговічності будівельних конструкцій ПЛ з урахуванням експлуатаційних факторів, таких як кліматичні навантаження і впливи, гідрогеологічні умови, конструктивні особливості лінії.

Методи досліджень. В основу розроблених методів розрахунку і проектування покладені методи математичного моделювання на основі методу кінцевих елементів і методу сил; методи комп'ютерного моделювання з використанням географічних інформаційних систем, експериментальні методи.

Наукова новизна отриманих результатів.

Короткий зміст наукових положень і результатів, отриманих автором, полягає в тому, що вперше при реконструкції магістральних систем:

- моніторинг кліматичних навантажень по трасі повітряної лінії здійснюється за допомогою спеціально створених метеопостів, що забезпечують постійною, диференційованою по профілю траси інформацією;

- оптимізація реконструктивних витрат здійснюється з урахуванням кліматичних і геологічних особливостей кожної дільниці ПЛ;

- обґрунтування матеріалу опор ПЛ, розміщення їх по профілю траси носить економіко-оптимізаційний характер;

- методологія системи управління експлуатаційною надійністю повітряних ліній електропередачі при реконструкції дозволяє виконувати планування ремонтно-відбудовчих заходів з урахуванням мінімізації економічних витрат.

Практичне значення отриманих результатів. Матеріали досліджень увійшли в проект нормативних документів: “Портали металеві і залізобетонні відкритих розподілювальних пристроїв напругою 35 – 750 кВ. Методичні вказівки з обстеження” і “Металеві і залізобетонні опори повітряних ліній електропередачі напругою 35 кВ і вище. Методичні вказівки з оцінки технічного стану і перерахунку”, що передані в Міністерство палива і енергетики України для затвердження.

Розроблена конструктивна схема метеопосту для енергетичних мереж України, а також методика збору інформації з профілю траси ПЛ і видачі аварійних сигналів передані в ДПВНДІ “Укренергомережпроект” для практичного застосування, а дослідна модель метеопосту змонтована на Полігоні випробувань опор повітряних ліній електропередачі і баштових споруд ДонДАБА.

За допомогою розробленої методики оптимального проектування реконструкції ПЛ з урахуванням конструктивних, інженерно-геологічних і кліматичних умов були розроблені й економічно обґрунтовані оптимальні опори ПЛ  кВ і методика їх розміщення за профілем траси, що були використані при підготовці технічної документації по реконструкції ПЛ 330 кВ “Запорізька – Курахівська ТЕС”.

Методологія системи управління реконструкцією, рекомендації з керування експлуатаційною надійністю ПЛ при реконструкції з урахуванням мінімізації витрат, розроблена методика відбудови працездатності ПЛ при аваріях і конструкція швидковідновлюваної опори ПЛ (патент України Е04Н12/00, № ) розглянуті на науково-технічній раді НЕК “Укренерго” і рекомендовані до практичного застосування.

Проведені розрахунки повітряної лінії електропередачі 330 кВ “Запорізька 750 – Курахівська ТЕС”, представлені на тендер, у порівнянні з пропонованим рішенням забезпечують економію матеріальних коштів у розмірі 4 234,7 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:

- особиста участь у проведенні натурних випробувань і лабораторних досліджень;

- розробка всіх методик і виконання чисельних експериментів, наведених у дисертації;

- аналіз і статистична обробка інформації, отриманої при випробуваннях, чисельних дослідженнях та інформації про аварійність ПЛ;

- систематизація та науковий аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на 4-й Національній науково-технічній конференції і виставці “Неруйнівній контроль і технічна діагностика НКТД-2003” (м. Київ, 2003 р.), на 6-й Міжнародній конференції “Геоінформаційні технології в управлінні територіальним розвитком” (м. Ялта, 2003 р.), на міжнародній конференції “Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будівель, споруд та інженерних мереж” (м. Донецьк, 2003 р.), 15-й міжнародній конференції
“15 Internationale Baustofftagung, Tagungsbericht” (м. Веймар, Німеччина, 2003 р.).

У повному обсязі закінчена дисертаційна робота доповідалася на розширеному засіданні кафедри “Металеві конструкції” Донбаської державної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, вересень 2003 р.) і на семінарі “Прогнозна оцінка і моніторинг технічного стану ПЛ України" (м. Харків, жовтень 2003 р.), який проводився Міністерством палива та енергетики України, за участю представників електромережних підприємств і науково-дослідних інститутів енергетики.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 друкованих праць, що відбивають її основний зміст, у тому числі: патент України і 12 статей у збірниках наукових праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 5 розділів, основні результати і висновки, список використаної літератури (165 найменувань), 3 додатка. Дисертація викладена на 183сторінках, у тому числі 142 сторінки основного тексту, 18 сторінок списку літератури, 8повних сторінок з малюнками і таблицями, 23 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтовується необхідність проведення досліджень по темі дисертації, представлений стан питання з реконструкції повітряних ліній, обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні результати, отримані автором, показані їх наукова новизна, практичне значення і реалізація.

У розділі 1 аналізуються стан питання і наукові досягнення в області вивчення дійсної роботи повітряних ліній електропередачі, обліку і моніторингу кліматичних навантажень, інженерно-геологічних умов і їхнього впливу на експлуатаційну надійність будівель і споруд; методів щодо реконструкції об'єктів електричних мереж і спеціальних питань проектування й оптимізації металевих конструкцій і повітряних ліній електропередачі.

Виконано огляд науково-технічної і нормативної літератури за трьома напрямками досліджень: особливості природно-кліматичних навантажень і методи їхньої реєстрації і моніторингу; сучасні методики розрахунку та автоматизації проектування металевих конструкцій баштових споруд і повітряних ліній електропередачі; методи підвищення експлуатаційної надійності повітряних ліній електропередачі при реконструкції.

Вивченню дійсних навантажень і впливів на будівельні конструкції та удосконаленню методів їхньої реєстрації і моніторингу присвячені роботи С.Ф. Пічугіна, Р.І. Кінаша, В.Б. Нарожного, В.А. Пашинського, Г.А. Ажермачова, Ю.П. Некрасова, S.J.G.та ін. Методи підвищення експлуатаційної надійності будівельних конструкцій, у тому числі і повітряних ліній електропередачі видображені в роботах Є.В. Горохова, А.В. Перельмутера, Л.В. Яковлева, E.M. Dutina, та ін. Однак при експлуатації повітряних ліній у період інтенсивного утворення ожеледі і штормових вітрів необхідна не тільки ретельна реєстрація кліматичних і супутніх факторів для подальшого більш детального обліку, але й оперативна система для запобігання і швидкої ліквідації наслідків аварій.

Принципи розрахунку й автоматизації проектування металевих баштових споруд і повітряних ліній електропередачі розглянуті в роботах М.С. Стрєлецького, А.І. Курносова, Б.П. Новгородцева, А.А. Зевина, Є.В. Шевченко, J.G.S. da Silva, S. Vellasco та ін., аналіз яких показує, що розроблені методики не враховують варіації кліматичних навантажень та інженерно-геологічних умов за профілем траси і розроблені для нового проектування, що не завжди відповідає проблематиці при проектуванні об'єктів, які реконструюються.

На підставі огляду літератури і проведеного аналізу сформульовані основні напрямки досліджень.

У розділі 2 для виявлення пошкоджуваності повітряних ліній електропередачі був проведений аналіз широкомасштабних аварій при вітрових і ожеледно-вітрових впливах, що відбулися на Україні в 2000 році.

У залежності від причини виникнення аварійність елементів ПЛ можна класифікувати в такий спосіб (див. рис. , д).

Проведений аналіз дозволив зробити наступні висновки, що дозволили намітити першорядні завдання відносно забезпечення надійної експлуатації електричних мереж:

- існуюча мережа метеостанцій не відповідає розташуванню системоутворюючих повітряних ліній і не відбиває реальні кліматичні процеси і їхні особливості, що відбуваються на ПЛ;

- широкомасштабні ожеледні і вітрові шторми є основною причиною аварійності повітряних ліній електропередачі, у першу чергу через непередбачуваність й істотну недослідженість кліматичних процесів, у зв'язку з чим необхідність перегляду заходів щодо підвищення надійності ПЛ при дії екстремальних кліматичних явищ, таких як розробка протикаскадних заходів і впровадження методів моніторингу кліматичних навантажень, є незаперечною;

- існуючі принципи визначення ожеледно-вітрових навантажень на опори ПЛ не відповідають реально зафіксованим при ожеледно-вітрових штормах. Так зокрема вертикальний профіль вітру і вектор швидкості не відповідають класичним представленням; ожеледне навантаження в сусідніх прольотах не є збалансованим; зміна стінки ожеледі в залежності від висоти розташування об'єкта дає розбіжність у 0,9-2,8 рази в порівнянні з рекомендаціями норм;

- проведені розрахунки дозволяють зробити висновки про необхідність удосконалювання методик визначення ожеледно-вітрових навантажень і методів запобігання аварій, зокрема шляхом плавлення ожеледі. Другим аспектом є удосконалювання методик оцінки дійсного стану конструкцій з урахуванням різних пошкоджень, таких як корозійні і механічні пошкодження, осідання фундаментів та ін;

а) |

б)

в) |

г)

д) |

1. Масштабні ожеледно-вітрові впливи

2. Локальні ожеледно-вітрові
впливи

3. Не встановлені причини

4. Експлуатаційні недоліки

5. Помилки монтажу

6. Неналежна якість матеріалів

7. Дефекти виготовлення

8. Помилки проектування |

Рис. 1. Аналіз аварійності повітряних ліній електропередачі:

а) падіння опори ПЛ 330 кВ “Трихати - Криворізька” при ураганному вітрі;

б) пошкоджуваність опор ПЛ 330-750 кВ у липні 2000 року при ураганному вітрі;

в) ушкодження залізобетонної опори ПЛ 330 кВ “Ладижин - Котовськ” при ожеледі;

г) кількість аварій опор ПЛ 330-750 кВ при ожеледі в залежності від матеріалу опор;

д) розподіл кількості відмов у залежності від причини

- надійність залізобетонних опор ПЛ при екстремальних кліматичних впливах значно нижче надійності металевих опор.

У розділі 3 для можливості прогнозування і запобігання наслідків катаклізмів на повітряні лінії, описаних у розділі 2, була виконана розробка метеопосту для енергосистеми України (рис. 2). Автоматизований ожеледно-вітровий метеопост призначений для виміру в автоматичному режимі гідрометеорологічних параметрів навколишнього середовища і передачі даних на опорні диспетчерські пункти, з'єднані в єдину систему в Україні.

Метеопост автоматично вимірює і контролює наступні параметри: температуру і вологість повітря; напрямок і швидкість вітру; масу ожеледно-вітрових відкладень на еталонному зразку.

У метеопості реалізований досить складний алгоритм роботи, що передбачає як збір вимірювальної інформації, її первинну обробку (осереднення на декількох різних тимчасових інтервалах) з наступною передачею результатів по каналом зв'язку на комп'ютер оперативного поста, так і зміна режиму збору інформації, у залежності від пори року і ожеледно-вітрових обставин. Подібний алгоритм та його програмна реалізація розроблені з використанням пристрою управління мікропроцесорного контролера, що управляє ресурсами, достатніми як для реалізації задач управління, так і задач обробки даних.

а) |

б)

Рис. 2. Структура автоматизованого ожеледно-вітрового метеопоста:

а) 1. вимірювальник ваги ожеледі; 2. ультразвуковий анеморумбометр 2D; 3. вимірники температури і вологості повітря; 4. мікропроцесорний блок управління передачі даних

б) зовнішній вигляд вимірника ваги ожеледі с ожеледдю в кліматичній камері

Аналіз можливих шляхів реалізації рекомендацій Міжнародної електротехнічної комісії показав, що для забезпечення надійності вимірника маси ожеледі найбільш прийнятним методом орієнтації імітатора проводу є активний, реалізуючий поворот останнього на кут від 0 до 3600 на підставі значення напрямку вітру. На цій підставі розроблена конструкція приводу повороту, також схеми електричні принципові модуля керування кутом повороту і задатчика його значення.

В якості вимірника швидкості і напрямку вітру для комплектування метеопоста використовується ультразвуковий анемометр-румбометр 2D фірми Ціес Клима, Німеччина. Вимірник ваги ожеледі і вітрильної сили містить у собі паралелограмні датчики сили, фотоелектричний датчик кута повороту і привід орієнтації до середнього за 10 хвилин напрямку вітру. Блок управління складається з нормалізатору сигналів датчиків, мікроконтролеру, блока плавлення ожеледі і блока живлення.

Проведені експериментальні дослідження метеопосту в лабораторних умовах (рис. 3, б) виявили працездатність прийнятих конструктивних рішень і дозволили визначити кореляційні залежності існуючих ожеледно-вимірювальних приладів з пропонованим технічним рішенням.

Метеопост розміщається на спеціальному майданчику на території підстанції, висота розташування датчиків 10 м прийнята відповідно до рекомендацій МЕК. Електроживлення метеопоста і передача інформації на оперативний пункт здійснюється кабельним зв'язком. Вся апаратура метеопоста залишається працездатною під впливом вібрацій, сонячної радіації, електромагнітних імпульсних перешкод і електромагнітних полів високовольтних ліній.

Застосування систем моніторингу і сигналізації ожеледно-паморозевих відкладень дозволить не тільки планувати ремонтно-відбудовчі заходи під час несприятливих природних явищ, але і використовувати плавлення ожеледі для запобігання аварій на ПЛ.

У свою чергу, кліматичні дані, отримані метеопостами, можуть не тільки використовуватися для виробки аварійного сигналу при перевищенні дійсних навантажень над проектними, але і використовуватися в процесі уточнення навантажень при перерахунках будівельних конструкцій ПЛ.

У розділі 4 розглянуті питання оптимального проектування реконструкції повітряних ліній на прикладі ПЛ 330 кВ “Запорізька 750 – Курахівська ТЕС”, що перебуває в експлуатації більш 50 років.

За рекомендацією МЕК на дану лінію був виконаний збір кліматичних навантажень з урахуванням профілю траси і рельєфу місцевості. Навантаження від проводів і тросів розраховані з урахуванням уточнених мікрокліматичних умов і профілю ПЛ для всіх 685 опор.

Традиційно реконструкція ПЛ здійснювалася з урахуванням тільки стану опор без інженерно-геологічних умов. При розробці нової методики був зроблений аналіз даних інженерно-геологічних вишукувань, на підставі чого, використовуючи теоретичні дослідження, траса була розбита на ділянки з різними умовами закріплення опор. Це дозволило визначити ділянки, що вимагають першочергової реконструкції, а також ті, для яких реконструкція потрібна в мінімальних обсягах.

Аналіз результатів розрахунку опор по трасі показав, що: інженерно-геологічні умови по трасі ПЛ 330 кВ “Запорізька 750 – Курахівська ТЕС” поділяються на 3 групи: а) сприятливі; б) середньої сприятливості; в) несприятливі. При заглибленні стійок опор на 3,3 м всі умови закріплення виконуються: а) у сприятливих ґрунтових умовах при установці ригеля перпендикулярно трасі;
б) в умовах середньої сприятливості при установці двох ригелів – верхнього паралельно трасі, нижнього перпендикулярно трасі; в) у несприятливих умовах при установці двох ригелів і ґрунту зворотного засипання, що має щільність 15,5 кН/м3, зчеплення 15 кПа, кут внутрішнього тертя 18.

Для уточнення існуючої методики досліджена взаємодія фундаменту опори з основою, за результатами яких запропонована методика оптимального розміщення залізобетонних опор, сутність якої викладена на рис. 3.

Побудувавши графіки залежності граничної горизонтальної сили від міцностних властивостей ґрунту Qu=f*(Fp) і від величини прольоту L=f(Qu) і визначивши для проектованої опори Fp, в остаточному підсумку знаходимо необхідну величину прольоту.

При цьому методика враховує можливість оптимізації установки ригелів і оптимальні будівельні властивості ґрунту зворотного засипання.

а) | б)

Рис. 3. Залежності граничного горизонтального навантаження Qu на підвалини від величини прольоту L

Для перевірки правильності розробленої методики були проведені польові випробування закріплення стійки в ґрунті залізобетонних опор з безригельним закладенням їх на глибину 4 м. Основними цілями проведених випробувань було визначення фактичної деформативністі безригельного закріплення стійки опори і фактичної міцності (несучої здатності) підвалин безригельного закріплення стійки.

Випробування проводилися на ділянці з несприятливими інженерно-геологічними умовами траси ПЛ 330 кВ “Запорізька 750 – Курахівська ТЕС”. Як навантажувальний пристрій на випробовувану стійку використовувалися сталевий трос і лебідка, установлена на рамі автомобілю. Контроль зусилля, що прикладається, на випробовувану стійку здійснювався за допомогою тензометричного динамометра вантажопідйомністю 100 кН. Кут повороту випробовуваної стійки на рівні землі в двох площинах визначався за допомогою чотирьох прогиномірів 6-ПАО з ціною ділення 0,01 мм.

У результаті були отримані фактичні значення деформацій стійок у двох площинах, що добре погодяться з теоретичними розрахунками (рис. 4), що у свою чергу дозволило на ділянках лінії з менш деформативними ґрунтами використовувати безригельне закріплення опор ПЛ у ґрунті.

а) | б)

в) | г)

Рис. 4. Випробування закріплення стійки в ґрунті

а) випробовувані стійки; б) схема розміщення вимірників

в) і г) фактична деформативність закріплення стійки в двох площинах

Далі був розглянутий варіант оптимального проектування ПЛ 330 кВ “Запорізька 750 - Курахівська ТЕС” на сталевих проміжних опорах замість залізобетонних.

Задача оптимального проектування ПЛ при реконструкції формулюється таким чином: відшукати геометричні параметри мережі в залежності від профілю траси, кліматичних факторів і інженерно-геологічних умов з варіюванням координат системи і топології при заданих перерізах з мінімізацією маси чи вартості при виконанні нормативних вимог і конструктивних обмежень. Для вирішення задачі оптимізації і відшукання оптимальних параметрів використовується програмний комплекс оптимального проектування електромережних конструкцій, розроблений на кафедрі “Металеві конструкції” Донбаської державної академії будівництва і архітектури.

При цьому виконано оптимальне розміщення двох одноланцюгових ліній, що йдуть паралельно (дволанцюгову ПЛ застосувати не можна внаслідок неможливості відключення існуючих двох ліній одночасно), потім виконана оптимізація конструктивних форм самих опор. З метою дослідження оптимальних параметрів також проведене оптимальне проектування ПЛ у дволанцюговом варіанті. На рис. 5 продемонстровані геометричні схеми типових і оптимальних проміжних і анкерно-кутових сталевих одно- і дволанцюгових опор для ПЛ 330 кВ.

Рис. 5. Нові оптимальні опори ПЛ 330 кВ для України

Оптимізаційні розрахунки показали, що база опори значно зменшилась, на 40у порівнянні з типовим варіантом. При оптимізації за критерієм вартості “у ділі” отриманий проліт більше прольоту оптимального за витратою сталі на 38 % (рис. ). При цьому зменшується кількість фундаментів, ізоляторів, а також площа відчужуваної землі.

Рис. 6. Закономірності зміни маси і вартості сталевих одноланцюгових опор ПЛ 330 кВ

Табл. 1. Порівняння варіантів вартості будівництва ПЛ 330кВ “Запорізька 750 – Курахівська ТЕС” (враховані тільки витрати, що змінюються в залежності від конструктивної
форми ПЛ)

Тип ПЛ | Типи проміжних опор | Вартість

будівництва,

тис. грн. | Економія,

тис. грн.

%

Дволанцюгова | Тристоякові залізобетонні | 25697,099 | 0

0

Дві
одноланцюгові | Вузькобазі металеві,

проліт 400 м | 23121,908 | 2575,191

10,0

Дві
одноланцюгові | Вузькобазі металеві,

проліт 500 м | 21462,362 | 4234,737

16,5

Дволанцюгова | Вузькобазі металеві,

проліт 400 м | 18624,635 | 7072,464

27,5

Порівняння варіантів ПЛ з залізобетонних і сталевих опор показало (табл. ), що ПЛ зі сталевих одноланцюгових опор дешевше на 10%, дволанцюгових – на 27,5%. При цьому необхідно взяти до уваги підвищену надійність і довговічність сталевих опор у порівнянні з залізобетонними.

За результатами досліджень автор рекомендує застосування при реконструкції магістральних ПЛ  кВ України сталевих оптимальних опор замість залізобетонних.

У розділі 5 наведені запропоновані методики розрахунку й оцінки технічного стану опор ПЛ, а також конструктивні заходи щодо підвищення експлуатаційної надійності електромережних конструкцій при дії природно-кліматичних і аварійних навантажень.

Для своєчасного визначення існуючого рівня надійності, моніторингу кліматичних характеристик, вироблення програми з усунення можливих наслідків аварій була розроблена методологія створення єдиної геоінформаційної системи, що містить підсистему управління базами даних, яка складається з наступних блоків (див. рис. 7):

1. Блок, що містить дані про застосовувані для ПЛ конструкції (опори, проводи, троси, ізолятори, система захисту від вібрації).

2. Блок, що містить технічну інформацію, у т.ч. креслення, сертифікати і т. ін.

3. Блок обліку недосконалостей. Стосовно до кожної конструкції містяться дані про виявлені дефекти та пошкодження, терміни їхнього усунення, дійсних характеристиках матеріалів, з яких конструкції виконані.

4. Система збору й урахування інформації про аварії і відключення на ПЛ.

5. Система урахування інженерно-геологічних умов будівництва;

6. Система збору та обробки метеоданих, що складається з даних метеостанцій Держгідромету і спеціалізованих метеопостів.

7. Система аналізу даних, що містить у собі блок перерахунку конструкцій експлуатованої повітряної лінії електропередачі.

При розробці технічних заходів на кожнім етапі здійснюється перевірка умови по обраному рівню надійності будівельних конструкцій ПЛ НрНтр і приймається рішення про застосування технічних заходів щодо забезпечення їхньої надійності та довговічності. Відмінною рисою даного методологічного підходу є той факт, що операції з ПЛ є зацикленими, тобто до ухвалення рішення про подальшу неефективність використання ПЛ, у власника лінії є постійно обновлювана інформація про її технічний стан.

Запропонована методологія системи керування експлуатаційною надійністю дозволяє не тільки планувати ремонтно-відбудовчі заходи, ранжирувати ПЛ у залежності від імовірності відмови, проводити моніторинг технічного стану ПЛ, але й в оперативному порядку керувати заходами щодо запобігання можливих аварій (на підставі інформації, одержуваної з метеопостів) і оперативному відновленню ПЛ при відключеннях.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблена методика оптимальної реконструкції ПЛ дозволяє істотно підвищити якість експлуатації, вчасно виявити й усунути значну кількість недосконалостей, прогнозувати можливий збиток при кліматичних перевантаженнях.

2. Аналіз аварійності повітряних ліній показав, що 53відмов відбувається при екстремальних ожеледно-вітрових навантаженнях, причому аварійність залізобетонних опор вище аварійності металевих опор у 3 рази.

3. Розроблена методика автоматичного збору й обробки кліматичної інформації і створений ожеледно-вітровий метеопост дозволяють реєструвати уточнені параметри кліматичних навантажень, які використовуються при проектуванні і реконструкції повітряних ліній електропередачі, а також планувати превентивні заходи при виникненні аварійних ситуацій.

4. Застосування розробленої методики при реконструкції ПЛ 330 кВ “Запорізька 750 – Курахівська ТЕС” з урахуванням спільної роботи залізобетонних опор з основою й оптимізації розміщення опор за профілем з урахуванням інженерно-геологічних умов траси дозволило зменшити кількість фундаментних ригелів на 14

5. Розроблені нові оптимальні сталеві проміжні вузькобазі опори ПЛ
330кВ для України відповідають міжнародним нормативам, є технологічними у виготовленні та монтажі, надійні й довговічні, дозволяють знизити вартість високовольтних ліній на 27,5у порівнянні з існуючими ПЛ на залізобетонних опорах.

6. Впровадження результатів оптимального проектування реконструкції ВЛ “Запорізька 750 – Курахівська ТЕС” при заміні залізобетонних опор на сталеві дозволило одержати економічний ефект у розмірі 4 234,7 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Горохов Е.В., Гримуд Г.И., Шевченко Е.В. Методика и алгоритм оптимального проектирования при реконструкции магистральных линий электропередачи // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2002г. №. 2002-2 (33). С. 7.

2. Горохов Е.В., Гримуд Г.И., Турбин С.В. Актуальные вопросы проектирования и эксплуатации воздушных линий электропередачи с учетом вариации климатических нагрузок // Строительство и техногенная безопасность. Сборник научных трудов. – Симферополь: КАПКС. – 2002. – Выпуск № 7. – С. 30 – 34.

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

4. Пат. № 1552 України, МКИ: Е 04 Н 12/00. Опора для прискореної відбудови лінії електропередачі у надзвичайних умовах / Фокша Г.І., Нейман В.О., Чевичелов В.О., Горохов Є.В., Шевченко Є.В., Гримуд Г.І.; ДПВНДІ “Укренергомережпроект” (Україна). № ; Заяв. 11.05.2002; Опубл. 16.12.2002. Бюл. № .

5. Горохов Е.В., Некрасов Ю.П., Турбин С.В., Гримуд Г.И., Семенов В.В. Динамическая интегральная диагностика как метод оценки технического состояния строительных конструкций башенных сооружений // Матеріали 4-й Національної науково-технічної конференції “Неруйнівний контроль та технічна діагностика НКТД-2003”. – Киев: Українське товариство НКТД. – 2003.– С. .

6. Горохов Е.В., Гримуд Г.И., Турбин С.В. Методика оценки технического состояния ВЛ на основе геоинформационных систем // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия “География”. По материалам 6-й Международной конференции “Геоинформационные технологии в управлении территориальным развитием”. – Симферополь.
– 2003 г. – Том 16 (55) № .– С. 31-39.

7. Горохов Е.В., Бакаев С.Н., Турбин С.В., Бусько М.В., Гримуд Г.И. Учет влияния НДС элементов электросетевых конструкций на скорость коррозии защитного цинкового покрытия // Материалы международной конференции “Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будівель, споруд та інженерних мереж”. – Донецьк: УАМК. – 2003 г.– С. 222-228.

8.Ye.V., Turbin S.V., Grimud G.I. Principles of Overhead Line Reliability and Longevity Increasing under Ice and Wind Loads // 15 Internationale Baustofftagung. –Weimar. Bundesrepublik Deutschland. – 2003.– Band 1.
– Р. 1427 - 1439.

9. Горохов Е.В., Гримуд Г.И., Жабский Ю.В., Васылев В.Н., Некрасов Ю.П. Приборное обеспечение гололедно-ветровых постов // Міжнародний науковий журнал “Металеві конструкції”. – Макіївка: ДонДАБА. – 2001. – Том 4, №1. – С. .

10. Горохов Е.В., Гримуд Г.И., Турбин С.В., Некрасов Ю.П. Принципы надежной и безопасной эксплуатации строительных конструкций электрических сетей при действии гололедных нагрузок // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2003. № 2003-2 (39). С. 83.

Праці, що додатково відбивають результати досліджень:

11. Гримуд Г.І. Підвищення надійності магістральних електричних мереж: проблеми і шляхи їх вирішення // Новини енергетики – Київ. – 2002. – № . – С. .

12. Гримуд Г.И. Роль технических служб в организации безопасной эксплуатации и обслуживания энергетического оборудования // Новини енергетики – Київ. – 2002. – №9. – С. 10-14.

13. Шидловський А.К., Гримуд Г.І., Кириленко О.В., Ільєнко І.І. Науково-технічний прогрес і технічне переозброєння магістральних та міждержавних мереж // Новини енергетики – Київ. – 2003. – Спеціальний випуск, серпень. – С. .

Особистий внесок автора в даних публікаціях:

У [1] виконана адаптація програмного комплексу з оптимального проектування до умов реконструкції з урахуванням кліматичних навантажень і інженерно-геологічних умов, у [2] розробка методики і розрахунок граничних умов кліматичних параметрів, а також обґрунтування необхідності створення автоматизованих ожеледно-вітрових метеопостів, у [3] розробка методики визначення залишкового ресурсу опор ПЛ, у [4] розробка методики відновлення пошкодженої ділянки ПЛ при аваріях, у [5] розробка методики технічної діагностики опор ПЛ, у [6, 8] аналіз пошкоджуваності і розробка методики технічної діагностики, у [7] методика визначення ПДС електромереж них конструкцій, у [9] технічні рішення з комплектації автоматизованих ожеледно-вітрових метеопостів, у [10] розробка методики технічної діагностики і моніторингу ожеледно-паморозевих відкладень, у [13] аналіз і розробка рекомендацій з переоснащення ПЛ.

АНОТАЦіЯ

Гримуд Г.І. Реконструкція ліній електропередачі на основі нових підходів до їх моніторингу та оптимального проектування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню оптимального проектування реконструкції повітряних ліній електропередачі й охоплює питання, пов'язані з кліматичними навантаженнями на повітряні лінії і їхнім моніторингом, дослідженням інженерно-геологічних умов району будівництва, оптимізацією конструктивної форми ПЛ і розробкою методики експлуатації повітряних ліній. Розроблено методику моніторингу ожеледно-паморозевих відкладень і виготовлено дослідний зразок автоматизованого ожеледно-вітрового метеопосту. Проведені чисельні дослідження дозволили запропонувати методику оптимізації повітряних ліній електропередачі на залізобетонних і металевих опорах з урахуванням варіації інженерно-геологічних і кліматичних умов на трасі. Розроблена методика технічної діагностики й експлуатації повітряних ліній забезпечує їх надійну і безпечну роботу після закінчення встановленого терміну служби.

Ключові слова: повітряні лінії електропередачі, реконструкція, ожеледно-вітрові навантаження та впливи, оптимальне проектування, металеві та залізобетонні опори, інженерно-геологічні умови, експлуатація, експлуатаційна надійність.

АННОТАЦИЯ

Гримуд Г.И. Реконструкция линий электропередачи на основе новых походов к их мониторингу и оптимальному проектированию. – 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 и науки Украины, Макеевка, 2003.

Диссертация посвящена исследованию оптимального проектирования реконструкции воздушных линий электропередачи, и охватывает вопросы, связанные с климатическими нагрузками на воздушные линии и их мониторингом, исследованиями инженерно-геологических условий района строительства, оптимизацией конструктивной формы ВЛ и разработкой методики эксплуатации воздушных линий.

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

В разделе 1 выполнен обзор научно-технической и нормативной литературы по трем направлениям исследований: климатические нагрузки на воздушные линии электропередачи и совершенствование методов их регистрации и мониторинга; методы повышения эксплуатационной надежности строительных конструкций при реконструкции; принципы расчета и автоматизации проектирования башенных сооружений и воздушных линий электропередачи. На основании обзора сформулированы основные направления исследований.

В разделе 2 выполнен анализ повреждаемости воздушных линий электропередачи при действии гололедных и ветровых штормов. Определены наиболее значимые факторы, влияющие на надежность и долговечность воздушных линий: широкомасштабные гололедно-ветровые штормы, несовершенство методов мониторинга и нормирования гололедных и ветровых нагрузок на ВЛ, низкая надежность железобетонных опор ВЛ по сравнению с металлическими.

В разделе 3 разработан метеопост для мониторинга гололедно-изморозевых отложений, скорости и направления ветра, влажности и температуры воздуха, а также методика сбора информации и программное обеспечение. Проведенные экспериментальные исследования метеопоста в лабораторных условиях показали работоспособность принятых конструктивных решений.

В разделе 4 разработана методика оптимального проектирования воздушных линий электропередачи на стальных и железобетонных опорах, с учетом вариации климатических нагрузок и инженерно-геологических условий по профилю трассы ВЛ. Разработанная методика расчета безригельного закрепления железобетонных опор в грунте проверена экспериментально. В результате проведенных расчетов получена экономия варианта на стальных оптимальных узкобазых опорах по сравнению с типовым решением на 16,5

В разделе 5 разработана методология системы управления эксплуатационной надежностью воздушных линий электропередачи и оптимального проектирования реконструкции воздушных линий и конструктивные мероприятия по повышению эксплуатационной надежности электросетевых конструкций при действии природно-климатических и аварийных нагрузок.

Ключевые слова: воздушные линии электропередачи, реконструкция, гололедно-ветровые нагрузки и воздействия, оптимальное проектирование, металлические и железобетонные опоры, инженерно-геологические условия, эксплуатация, эксплуатационная надежность.

Abstract

Grimud G.I. Overhead transmission line reconstruction on a basis of monitoring and optimal designing. – Manuscript.

The Thesis for the Candidate’s Degree Competition, Speciality 05.23.01 – Engineering Structures, Buildings and Constructions. – The Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeyevka, 2003.

The thesis deals with the problems of overhead power transmission lines reconstruction and includes the estimation and monitoring of wind, ice and ice with wind loads. Investigation of engineering geological conditions for overhead transmission line routes have been also investigated. Structural optimization of overhead transmission line towers and principles of maintenance and exploitation for overhead lines have been took into consideration. The principles of monitoring of climatic loads were elaborated and special sample device for automatization of wind-ice measurements was manufactured. The structural optimization principles of overhead transmission line on steel and reinforced concrete towers with engineering geological and climatic conditions were proposed on the basis of carried-out theoretical investigations. The principles of technical conditions for overhead transmission line may be estimated what provides a possibility for regular maintenance and safety operation of these structures for all operation term.

Keywords: overhead power transmission lines, reconstruction, revitalization, wind and ice loads and influences, optimal designing, steel and concrete reinforcement towers, geological conditions, maintenance, operational reliability.