Донбаська національна академія

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДОД ТАРАС ЄВГЕНОВИЧ

УДК 624.014

коНстРуктивний захист повітряних

ліній електропередачі від галОпування проводів

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі металевих конструкцій Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Макіївка

Науковий керівник:– | доктор технічних наук, професор

Шевченко Євген Володимирович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, м. Макіївка, професор кафедри металевих конструкцій

Офіційні опоненти:– |

доктор технічних наук, професор

Кулябко Володимир Васильович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, м. Дніпропетровськ, професор кафедри металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій–

кандидат технічних наук, старший науковий спів-робітник Микитаренко Михайло Олексійович, ВАТ "Український науково-дослідний та проектний інститут "УкрНДІпроектстальконструкція ім. В.М. Шимановського", м. Київ, провідний науковий співробітник відділу науково-технічного розвитку

Захист дисертації відбудеться «_25_» __червня__ 2008 р. о __1000_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою:

86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий «_23_» __травня_______ 2008 р.

В.о. ученого секретаря

спеціалізованої вченої ради А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для підвищення ефективності роботи електричних мереж і, зокрема, повітряних ліній електропередачі (ПЛ) необхідно створення умов, за яких буде зменшена кількість відмов ПЛ через їх відключення у разі захлестувань проводів, а також через їх пошкодження внаслідок дії коливальних процесів у проводах. Одним з найбільш небезпечних різновидів коливальних рухів проводу є галопування проводів у прогоні, що часто відбувається на ПЛ високих і надвисоких напруг.

Під час галопування проводів, по-перше, виникають переміщення проводів у прогоні, за яких вони можуть виявитися в небезпечній близькості один від одного, що може призвести до пробою ізоляційного проміжку між ними; по-друге, відбувається деформація проводів, особливо в затискачах кріплення проводу до ізоляторів; по-третє, відбувається розгойдування гірлянд ізоляторів, їх деформування, що призводить до втрати міцності окремих її елементів; і, по-четверте, відбувається не властиве нормальним умовам навантаження опор і особливо траверс, що призводить до деформації або навіть пошкодження елементів опор.

Якщо три останніх впливи призводять до поступового, а іноді й швидкого руйнування елементів ПЛ і час від часу вимагають проведення їх ремонту, то перший з впливів призводить до відключення ПЛ і, як наслідок, перерв у електропостачанні споживачів.

Актуальність роботи визначається необхідністю розробки конструктивних рішень для впровадження на повітряних лініях електропередачі, розташованих у районах з інтенсивним або помірним галопуванням проводів, які б призводили до зменшення або усунення явища галопування проводів ПЛ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась у відповідності до тематики науково-дослідних робіт Донбаської національної академії будівництва і архітектури. Основні дослідження, які виконані в роботі, відповідають держбюджетній кафедральній темі К-2-08-06 “Удосконалення формоутворення металоконструкцій на основі діагностики і моніторингу залишкового ресурсу, економіко-математичне моделювання режиму експлуатації будівель і споруд» (№ держреєстрації 0107U000101), яка виконувалась за дорученням Міністерства освіти і науки України. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження щодо виникнення та розвитку явища галопування проводів ліній електропередачі та розробки конструктивних засобів боротьби з цим явищем. Дисертаційна робота виконана також в межах держбюджетної науково-дослідної роботи Д-2-1-06 «Моніторинг і підвищення надійності повітряних ліній електропередачі при дії ожеледно-вітрових навантажень та впливів»
(№ 0106U002950). В цій роботі автором запропонована методика розрахунку галопування проводів з урахуванням ожеледно-вітрових навантажень і впливів.

Метою дослідження є уточнення теоретичних засад галопування проводів повітряних ліній електропередачі, виявлення головних чинників виникнення галопування, віднаходження шляхів зменшення або ліквідації цього процесу, а також рішень, які кардинально захищають лінію електропередачі від впливу цього явища шляхом запобігання виникнення або розвитку процесів галопування.

Задачі досліджень:

— обгрунтування процесу виникнення галопування проводів на діючих лініях електропередачі та вивчення природи цього явища;

— встановлення послідовності розвитку процесу галопування проводів ПЛ та виявлення основних факторів, що впливають на розвиток цього процесу;

— уточнення теорії виникнення галопування проводів ПЛ, як основи для створення нових підходів для розробки конструкцій ПЛ, непідвладних процесу галопування;

— розробка практичних засобів боротьби з явищем галопування проводів на повітряних лініях електропередачі;

— пошук шляхів зменшення або усунення галопування проводів діючих повітряних ліній електропередачі.

Об’єкт дослідження – повітряні лінії електропередачі в умовах впливу поривів вітру, які спричиняють коливання (галопування) проводів.

Предмет дослідження – явище галопування проводів, теоретичне обгрунтування причин виникнення та стадій його розвитку, розробка технічних засобів боротьби з цим явищем і попередження його наслідків.

Методи досліджень. Розв’язання поставлених задач виконувалось з використанням методів математичного аналізу та теорії ймовірності, фізико-математичних методів теорії коливань, методів планування експериментів і випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів:—

результати теоретичних та експериментальних досліджень, що відтворюють процеси галопування проводів повітряних ліній електропередачі на етапах їх розвитку з описом математичною моделлю залежностей, які характеризують основні параметри процесу галопування. Вперше показано, що головним фактором виникнення галопування проводів у прогоні є коливання точок кріплення на проміжних опорах під різницею тяжінь, що виникають через нерівномірну дію поривів вітру на різні прогони. Сформульоване поняття галопування проводів, як результат аеропружної взаємодії проводів з вітровим потоком і впливу коливальних явищ у суміжних прогонах;—

установлено залежності між силою, що викликає переміщення точок кріплення проводів, і силою, що при цьому діє на всі точки проводу в прогоні. Вперше доказано, що зусилля вздовж осі ПЛ, що виникає під час відхилення точок кріплення проводів, залежить від довжини гірлянди, стріли провисання та довжини прогону і викликає збудження галопування проводів, не перевищує 15 % від величини тяжіння проводу в нормальному режимі (для типових проектів ПЛ). Це надає можливість створення конструкцій кріплення проводів на проміжних опорах, які не перешкоджають редукуванню проводів у разі їх обриву і захищають від галопування;—

встановлено послідовність етапів розвитку процесу галопування, а саме: вплив дії вітру (або вітру під час ожеледі) на розгойдування проводів; вплив розгойдування проводів на виникнення повздовжніх відхилень точок кріплення проводів (гірлянди, траверси або опори в цілому); вплив відхилень точок кріплення проводів на створення поштовхових вертикальних сил, що діють на всі точки проводу у прогоні; обгрунтувано теорію коливань проводу під дією вертикальних поштовхових сил, що викликані горизонтальними коливаннями точок кріплення проводів на проміжних опорах.

Практичне значення одержаних результатів: —

надані конструктивні рішення з створення повітряних ліній електропередачі, захищених від галопування проводів; запропоновані технічні рішення захищено патентами України №№ 21664, 77097, 23068, 23069, 23070, 23071 [12-17];—

на основі запропонованих конструктивних рішень створена методика проектування конструкцій ПЛ, захищених від галопування проводів, з використанням пристроїв обмеженої міцності, що запобігають розгойдуванню підвісних кріплень проводів, не перешкоджають їх редукуванню у разі обриву проводів;—

обґрунтовані величини необхідних вертикальних та горизонтальних зміщень точок розташування проводів на проміжних опорах, за яких в умовах виникнення галопування проводів з заданою ймовірністю гарантується відсутність електричного пробою між проводами у разі їх зближення під час галопування; ці дані включені в нову редакцію Правил улаштування електроустановок, як норми для проектування та спорудження ліній електропередачі у районах з помірним та з інтенсивним галопуванням;—

розроблено ряд технічних рішень щодо захисту від галопування проводів діючих повітряних ліній електропередачі, що дозволяє експлуатаційному персоналу забезпечувати їх надійну роботу в районах де можливе галопування проводів. Рішення захищені патентами України;—

результати роботи впроваджені в діючих електричних мережах.

Особистий внесок здобувача полягає:—

у розробці математичної моделі галопування проводів повітряних ліній електропередачі під дією вітру;—

у розробці та участі в проведенні експериментів з вивчення явища галопування проводів на фізичній моделі;—

в обґрунтуванні процесів явища галопування проводів на основі теоретичних розрахунків і аналізу експериментальних досліджень;—

у розробці технічних рішень з створення конструкцій кріплення проводів на проміжних опорах повітряних ліній електропередачі, що попереджують виникнення галопування проводів, та конструкції повітряних ліній електропередачі підвищеної надійності за рахунок обгрунтування необхідних відстаней між проводами.

Апробація дисертаційної роботи. Основні положення дисертації та її результати доповідались на:–

Міжнародній науково-практичній конференції «Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології» (Макіївка, 2005);–

науково-практичній конференції “Основні положення Правил улаштування електроустановок. Гл.2.4. Повітряні лінії електропередачі напругою до 1 кВ. Гл.2.5. Повітряні лінії електропередачі напругою вище 1 кВ до 750 кВ і їх вплив на надійність роботи електричних мереж” (Київ, 2007 р.);–

XIV міжнародній конференції “Ресурсоенергозбереження у ринкових відносинах” (Ялта, 2007 р.);–

семінарі країн СНД “Вопросы проектирования, строительства и эксплуатации ВЛ, с учетом перспективы повышения надежности их работы на современном этапе” (МЭС-3, С.-Петербург, 2007 р.).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на засіданні кафедри металевих конструкцій Донбаської національної академії будівництва і архітектури, м. Макіївка, Донецької обл., 6.12.2007р., на НТР Всеукраїнського енергетичного комітету, м. Київ, 2.11.2007р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 наукових праць, з них три статті в наукових фахових виданнях, рекомендованих ВАК України; одержано шість патентів України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури (168 найменувань) і додатків. Робота викладена на 175 сторінках, у тому числі 105 сторінок основного тексту, 52 рисунки та 7 таблиць на 45 сторінках, 17 сторінок списку використаної літератури, вісім сторінок додатків. Додатки містять матеріали щодо необхідних зміщень розташування проводів на проміжних опорах ПЛ з умов запобігання електричного пробою між проводами при їх галопуванні та акти впровадження результатів дисертації у діючих мережах енергосистем та у нормативних документах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подана загальна характеристика дисертаційної роботи, обгрунтовано актуальність теми, відзначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практична цінність одержаних результатів, наведено відомості про особистий внесок здобувача, апробацію результатів і публікації.

У першому розділі проаналізовано роботу ліній електропередачі за умов галопування проводів. Розглянуті публікації з питань виникнення галопування проводів та боротьби з цим явищем.

На території колишнього СРСР, а надалі і в Україні вивченням причин виникнення коливальних процесів на проводах ПЛ і особливо галопування проводів займалися багато вчених. Значну роль у цих питаннях відіграли роботи Всесоюзного науково-дослідного інституту енергетики, Донбаської національної академії будівництва і архітектури, підприємств енергетичних систем Крименерго, Башкиренерго, інститутів Укренергомережпроект, Укрсільенергопроект та ін.

Вивченню коливальних процесів, зокрема явища галопування присвячені роботи таких вчених, як Глазунов А.А., Гордєєв В.М., Горохов Є.В., Ден-Гартог Дж., Казакевич М.І., Карман Т., Коренев Б.Г., Кулябко В.В., Ліберман А.Я., Мединський А.В., Микитаренко М.О., Миронов Є.П., Назім Я.В., Новак М., Паркінсон Г.В., Ричардсон М.А., Турбін С.В., Шаповалов С.М., Шевченко Є.В., Шимановський В.Н., Шимановский А.В. Эдвардс А.Т. та інші.

Аналіз діючих в світі на даний час заходів щодо запобігання галопування проводів (проаналізовано понад 300 авторських свідоцтв на винаходи) показав, що на даний час проблема не вирішена. На підставі аналізу літературних джерел та досвіду експлуатації сформульовані мета і задачі дослідження.

У другому розділі розглядається галопування проводів повітряних ліній електропередачі, як явище аеродинамічної нестійкості і результат аеропружної взаємодії проводів з вітровим потоком. Признана на даний час теорія виникнення явища галопування пов'язується з резонансними коливаннями проводів під дією вітру і, перш за все, з формою перерізу проводу. Вважається, що галопування проводів виникає у разі покриття проводу ожеледдю. Існуючою теорією зазначалось, що більшість видів динамічних коливань слід вважати як самозбуджуючі коливання, які виникають внаслідок дії джерел енергії, що не мають коливальних властивостей. Приймаючи ці положення за основу, у даній роботі розроблені уточнення до цієї теорії. Розглянуто можливості підвищення надійності ПЛ, розташованих у районах з підвищеною інтенсивністю галопування проводів шляхом зменшення ймовірності перекриттів між проводами за рахунок збільшення відстані між проводами на опорі.

Показано, що збільшення відстані між проводами на опорі призводить до зниження ймовірності пробою проміжку (ці пропозиції на цей час використані, як норма в новій редакції ПУЕ [1]), але при цьому погіршуються техніко-економічні показники конструкції опор ПЛ (подорожчання ПЛ, зростання габаритів та ваги опор). Крім того, не усуваються ушкодження проводів, гірлянд ізоляторів і елементів опор через вплив галопування проводів, що підтверджує необхідність проведення досліджень в напрямку розробки математичної моделі процесу галопування, розгляду процесу галопування на всіх етапах його розвитку, проведення експериментальних досліджень з метою уточнення теорії галопування проводів.

На основі використання класичних рішень фізики (коливання струни) для дослідження поведінки проводів у прогоні з урахуванням додаткових чинників створена модель поведінки проводів під час галопування. Слід зазначити, що понад 80% території України відноситься до району з інтенсивним галопуванням, де середня частота повторюваності більше одного разу на п'ять років,

Рис.1. Діаграма розподілу випадків галопування проводів ПЛ

на території Криму за 1996–2004 рр.

решта – до району з помірним галопуванням з виокремленням гірських місцевостей. Наприклад, під час проведення обстежень галопування проводів в електричних мережах 35-110 кВ Кримського півострова [2–4] було встановлено, що за період від 1996 року і до 2004 року на території Криму зафіксовано 76 випадків галопування проводів на ПЛ 35-110 кВ (рис.1).

Найбільш часто галопування проводів відбувається на ПЛ високих і надвисоких напруг. А, як відомо, по ним передаються найбільш значні потоки електричної енергії. Їх ушкодження призводить до перерви живлення потужних споживачів або навіть окремих регіонів. Тому боротьба з явищем галопування проводів, як засіб підвищення надійності електропостачання, є дуже актуальною проблемою.

Встановлено головні закономірності процесу коливань під час галопування проводів. Досліджені чинники, які сприяють виникненню галопування проводів. Проаналізовано процес започаткування та розвитку коливань проводу та перехід їх у галопування. Для вивчення і аналізу цих процесів створено математичну модель галопування проводів ПЛ.

Встановлені головні етапи розвитку процесу виникнення коливань проводу в прогоні:

1) етап, який передує початку процесу, що розглядається, розташування проводів прийнято у спокійному стані, коли на провід діють лише сили ваги проводу і тяжіння в ньому;

2) етап збурення проводу внаслідок дії вітру (або у сукупності з ожеледдю);

3) етап розгойдування проводу та його впливу на поведінку елементів опор, зокрема періодичне змінення розташування точки кріплення проводів уздовж осі ПЛ;

4) виникнення коливань проводів через періодичну зміну розташування точок кріплення проводу і їх резонансний захват.

Провисання проводу (рис.2) необхідно описувати не параболою, як це прийнято при механічних розрахунках ПЛ, а рівнянням ланцюгової лінії

де -- параметр ланцюгової лінії, який визначається вагою вертикального відрізку проводу, що врівноважує силу тяжіння проводу в точці Х.

Тяжіння проводу не постійне і у характерних точках дорівнює:

- у точці підвісу проводу (1)

- у точці максимального провисання (2)

- у довільній точці (3)

При цьому необхідно зазначити, що реальна довжина проводу перевищує довжину прогону; розподіл ваги проводу відбувається рівномірно по довжині проводу, а не прогону; дія сили ваги проводу відбувається не перпендикулярно до осі проводу, а під кутом до осі лінії по вертикалі, що призводить до нерівномірної дії сил ваги на провід.

Математична модель галопування проводів містить основні залежності, що враховують особливості коливань проводу порівняно з іншими видами поширення хвиль. Провід вигнутий по кривій (рис.3). У кожній точці свій кут нахилу j. Розподіл ваги і тяжіння нерівномірно по довжині прогону (5, 6). Тому основні рівняння (7-10) виведені на основі розрахункової схеми (рис.4) для похило розташованого проводу.

Кут нахилу дотичної у будь-якій точці визначається залежністю

. (4)

Вагове навантаження (5)

Повне (сумарне) тяжіння в кожній з точок на проводі

. (6)

На провід діють такі групи сил:

-- сили тяжіння

(7)

-- дія ваги проводу

(8)

- рівнодіюча сил інерції (9)

За законом Ньютона сума всіх сил, що діють на провід, дорівнює нулю, ( ). Тоді

, (10)

звідки, вихідне рівняння процесу галопування проводів зводиться до його опису диференціальним лінійним рівнянням у частинних похідних другого порядку з постійними коефіцієнтами:

. (11)

На відміну від інших відомих видів поширення хвиль, коливальний процес галопування відбувається поперек лінії, що з'єднує точки кріплення проводу, в той час як інші коливання відбуваються уздовж їх осі поперек проводу, струни і т.ін.

Зазначене рівняння, з математичної точки зору, являє собою типову задачу Коші, розв'язувану за допомогою підстановок за принципом Даламбера з наступним розкладанням в ряди Фур'є.

Кінцеве рішення з урахуванням початкових та крайових умов має вигляд:

, (12)

де: - математичне відображення відхилення проводу під дією вітру; (13)

- те саме, але під дією зовнішніх сил (поштовхи, удари); (14)

; k=1, 2, 3,…— номер гармоніки коливань.

Амплітуда k-ої гармоніки визначається за формулою при кутовій частоті .

Ідентичність одержаних рівнянь коливального процесу галопування аналогічним рівнянням для інших хвиль надає право стверджувати, що основні закономірності, характерні для інших хвильових процесів також притаманні явищу галопування, у тому числі наступні:

1) відхилення в будь-якій точці від нейтрального положення (13) або ударний вплив (14) призводить до поширення хвиль тієї ж форми уздовж проводу в обидва боки від точки впливу;

2) виникаючі хвилі являють собою спектр частот з гармоніками;

3) у разі стикання хвилі з перешкодою (затискач, гірлянда або інше) відбувається віддзеркалення, пропущення або поглинання хвилі. Віддзеркалена хвиля має ту ж форму, але протилежний знак. Пропущення зводиться до переходу хвилі того ж знака і форми через перешкоду, через що хвиля, що виникла в одному прогоні, передається суміжним прогонам. Можливий випадок, коли в результаті припливу додаткової енергії йде не поглинання, а посилення, наприклад через співпадаючий за напрямком вплив вітру в суміжному прогоні.

На підставі математичної моделі коливань проводу в прогоні визначені особливості поводження проводу при впливі на нього періодично змінних поривів вітру:

-- коливання виникають не тільки у разі безпосереднього впливу вітру на прогін, але і у разі впливів на суміжні прогони;

-- при тиску вітру на окремі прогони разом з поперечним відхиленням проводу відбувається також і повздовжнє відхилення точки кріплення проводу (рис. 5).

б) Положення проводу у прогонах після збільшення тиску вітру у прогоні 2

Рис.5. Схема відхилення точок кріплення проводу у разі місцевого тиску вітру

Нерівномірний (поривчастий) тиск вітру на різні ділянки суміжних прогонів викликає періодичні повздовжні відхилення точок кріплення. Через те, що вплив вітру має імпульсний характер, то такі впливи містять спектр гармонійних коливань. Тому завжди є можливість резонансного підхвату коливань точок підвісу з власною частотою вузла кріплення.

Зміна розташування точок кріплення проводу в повздовжньому напрямку еквівалентна зміні довжини прогону. Ці відхилення не суттєві для розрахунку механічної міцності і цим зневажали, але вони мають істотний вплив на процес виникнення галопування.

Особливості такого впливу пояснюються рис.6. Відхилення точки кріплення призводить до зміни стріли провисання, тому що збільшення довжини прогону за умов незмінної довжини проводу можливе тільки у разі збільшення тяжіння в проводі, а при цьому зменшується стріла провисання і навпаки.

Зміна довжини прогону під час коливань точок кріплення відбувається за залежністю

, зі швидкістю і прискоренням

При цьому, швидкість та прискорення зміни параметра ланцюгової лінії становить

Стріла провисання, як функція зусиль у точці кріплення визначена рівнянням

Горизонтальне зусилля P, що діє на провід у точці кріплення

. (15)

Вертикальне зусилля Fкр , що діє на провід у точці (С) найбільшого провисання проводу

(16)

. (17)

Галопування виникає, якщо сила Fкр перевищує вагу проводу

, звідки , (18)

де g – прискорення сили ваги, яке дорівнює 9,81 м/сек2.

Максимум сили P у частках від тяжіння T0 (співвідношення k=P/T0 ) для усіх випадків типових конструкцій ПЛ не буде перевищувати 0,15.

. (19)

У разі зміни розташування точки кріплення проводу в повздовжньому напрямку виникає додаткова сила P (15), що дорівнює різниці тяжінь у проводі прогону ліворуч і прогону праворуч. Вузол кріплення коливається з частотою w і при цьому відхиляється на відстань D (рис.6). Тоді, під дією сили Fкр у точці найбільшого провисання виникне прискорення проводу (17, 18). Якщо це прискорення перевищить прискорення сили ваги, то відбудеться рух проводу. При підйомі проводу тяжіння в ньому буде зменшуватися до досягнення проводом прямої, що спирається на точки кріплення. В міру подальшого руху проводу догори в ньому буде наростати тяжіння до зрівноважування сил, включаючи сили інерції. Так починається процес галопування проводу. При цьому слід зазначити, що зусилля підйому виникає не тільки в точці максимального провисання, але і по всій довжині проводу. Тому вплив на провід буде більш значним.

На цій основі сформульовано визначення явища галопування проводів повітряних ліній електропередачі, як результат аеропружної взаємодії проводів з вітровим потоком при збуренні збудження коливань внаслідок переміщення точок кріплення проводу.

Дослідженнями встановлено, що горизонтальні зусилля в точці кріплення проводу не перевищують 15% від сили тяжіння проводу в нормальному режимі. Отже, для попередження галопування досить закріпити провід з обмеженням максимального зусилля P на повздовжнє переміщення точки кріплення проводу. Для деяких конструкцій нині застосовуваних опор ця величина оцінюється на рівні 10%. Таким чином, величина 15% є найбільшою для всіх типових конструкцій опор ПЛ.

Це дозволяє створювати конструкції пристроїв, що у межах 0,15 T , виключають виникнення галопування проводів, а у випадках аварійного обриву проводу, коли зусилля на точку кріплення дорівнює повному тяжінню проводу T виключати дію пристрою. Такі головні критерії створення конструкцій ПЛ, захищених від галопування проводів, що, не допускаючи галопування проводів, не перешкоджають їхньому редукуванню у випадку обриву проводів.

Таким чином, головною причиною виникнення галопування проводів є зміна еквівалентної довжини прогону через коливання точок кріплення проводів. Сила дії, яка виникає при коливаннях точок кріплення проводів, є збудником для виникнення галопування у разі перевищення викликаного цією силою вертикального прискорення більшого, ніж прискорення сили ваги, але при цьому вона не перевищує для типових конструкцій ПЛ 15% від сили тяжіння у проводі.

Теоретично встановлені залежності галопування проводів підтверджено експериментальними дослідженнями, описаними у наступному розділі.

У третьому розділі наведено дані щодо результатів експериментальних досліджень процесів, що протікають під час галопування проводів.

Проведені експериментальні дослідження здійснювались на фізичній моделі галопування (рис.7), що являє собою основу для імітації поверхні землі із змонтованими на ній макетами опор з проводами. За аналог прийнято типову конструкцію опор ПЛ напругою 110 кВ. Для спрощення моделі імітувався лише один різновид опори (проміжна опора типу П110-1). Головні розміри, які знайшли відображення у моделі це: відстань між опорами, висота стояка опори, відстані від центра стояка до країв траверс, відстані між сусідніми ярусами траверс та довжина гірлянди ізоляторів. Результати експериментів на моделі фіксувалися фотоапаратом (загалом близько 500 знімків).

Найбільш суттєві результати, що стосуються виникнення синхронних і несинхронних коливань, виникнення хвилі, що біжить, впливу довжини прогону, довжини гірлянди, діаметра проводу, а також випробувань різних видів пристроїв для запобігання галопування наведені в дисертації.

Проведені експериментальні дослідження дозволили встановити наступне:

- підтверджені теоретично установлені факти наявності подовжнього відхилення точок кріплення проводу при впливі потоку повітря на один із прогонів;

- визначено, що основним збудником галопування є повздовжні коливання точок кріплення проводу до гірлянд;

- установлено, що ймовірність виникнення галопування істотно збільшується у випадку застосування підвісок значної довжини;

- підтверджено, що у випадку створення перешкоди повздовжнім переміщенням точок кріплення проводів галопування вгасало, а у випадку завчасного створення таких умов - галопування не виникало.

У четвертому розділі розглянуто розробки способів та пристроїв щодо засобів боротьби з галопуванням. За результатами теоретичних і експериментальних досліджень розроблені конструкції повітряних ліній електропередачі, захищених від галопування проводів (патенти №№ 21664, 77097, 23068, 23069, 23070, 23071, заявка № а 2008 04426). У дисертації наведені приклади технічних рішень, що реалізують принципи попередження виникнення галопування та матеріали проведення випробувань окремих пропозицій на діючій лінії електропередачі.

Визначені необхідні параметри і створено ряд конструкцій вузла підвісних ізоляторів з протигалопувальним ефектом, наприклад конструкція за рис.8. Особливістю конструкції є те, що вона розрахована на обмежену міцність. Ця конструкція забезпечує вільні коливання проводу разом з конструкцією поперек осі ПЛ і не дозволяє переміщуватися проводу уздовж осі ПЛ, чим досягається захист проводів від галопування. Разом з тим, у разі аварійного обриву проводів, коли тяжіння уздовж осі ПЛ наближається до значень, що дорівнюють повному тяжінню проводу, відбувається порушення елементу пристрою обмеженої міцності. При цьому провід має можливість переміщення вздовж прогону, чим забезпечується редукування проводів. Для повторного використання конструкції, треба після відновлення проводів відновити елемент обмеженої міцності підвісних кріплень.

Конструкції підвісних кріплень проводів на проміжних опорах з протигалопувальним ефектом впроваджені на лініях електропередачі України (наприклад, ПЛ 110 кВ Верба - Семенівка). Досвід експлуатації цих ліній електропередачі дозволить внести зміни у чинні Правила улаштування електроустановок та інші нормативні документи, що дозволить значно знизити витрати на спорудження ПЛ.

висновки

1. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження з розробкою математичної моделі дозволили встановити етапи розвитку процесу галопування на всіх стадіях і вирішити проблему конструктивного захисту ПЛ електропередачі від галопування проводів.

2. Виявлено, що головним чинником виникнення стійких резонансних хвиль на проводі у прогоні є коливання точок кріплення проводів, в той час як дія вітру являє собою головний збудник первісних впливів, які без коливань точок кріплення не призводять до резонансних хвиль. Проведені експерименти підтвердили теоретичне обґрунтування основних чинників виникнення галопування.

Сформульоване поняття галопування проводів, як результат аеропружної взаємодії проводів з вітровим потоком і впливу коливальних явищ у суміжних прогонах внаслідок відхилень точок кріплення проводів на проміжних опорах.

3. Доведено, що горизонтальні сили, що діють вздовж осі ПЛ і спричиняють галопування, не перевищують 15% від тяжіння проводу у нормальному режимі, що дозволяє створювати конструкції ПЛ, які захищають проводи від галопування і водночас не перешкоджають редукуванню проводів у разі їх обриву.

4. Запропоновані технічні рішення дозволяють захистити ПЛ від галопування. Впровадження їх на діючих ПЛ за період випробувань біля двох років дало позитивний ефект за рахунок зменшення експлуатаційних витрат в розмірі 38 тис. грн.

5. За результатами проведених досліджень розроблена методика проектування на проміжних опорах повітряних ліній електропередачі конструкцій підвісних ізоляторів з протигалопувальним ефектом, які запроваджені при проектуванні ліній електропередавання. Досвід їх запровадження надасть можливість внести зміни до чинних Правил улаштування електроустановок, що дозволить практично на всій території України значно знизити витрати на спорудження ПЛ.

Основні положення дисертації опубліковані у наступних роботах:

1. Крижов Г.П., Удод Т.Є. Боротьба з негативним впливом коливань проводів ліній електропередачі. // Новини енергетики.- №2. – 2005. — С.39-44.

2. Груба Г.І., Плакіда В.Т., Левченко В.Г., Крижов Г.П., Удод Т.Є. Исследование процессов, протекающих при пляске проводов. // Новини енергетики. – №3. – 2005.– С. 29-33.

3. Груба Г.І., Левченко В.Г., Калашніков В.Д., Плакіда В.Т., Крижов Г.П., Удод Т.Є. Дослідження пляски проводів на повітряних лініях електропередачі. // Новини енергетики. – №8. – 2005. – С. 38-41.

4. Шевченко Е.В., Жук Н.Р., Митраков В.А., Удахин С.А., Удод Т.Е. О нормировании нагрузок аварийных и монтажных режимов ВЛ. // Вісник ДонНАБА. – Вип. 2005-8(56). 2005. – С.204-209.

5. Шевченко Е.В., Удод Т.Е. Разработка методов борьбы с пляской проводов ВЛ для Украины. // Металлические конструкции. – 2006. – №4, т.12. – С. 239-247.

6. Крижов Г.П., Удод Т.Є. Боротьба з проявами “пляски” проводів на повітряних лініях електропередачі // Електропанорама. – № 1-2. – 2006. – С. 28-31.

7. Назим Я.В., Шевченко Е.В., Удод Т.Е. Повышение надежности и долговечности ВЛ при реконструкции. // Вісник ДонНАБА. – Вип. 2007-6(68). – 2007.- С.120-126.

8. Удод Т.Е. О причинах пляски проводов линий электропередачи. РФ // Электрические станции, Москва. – №1. – 2007. – С. 46-48.

9. Удод Т.Е. Основные положения определения расстояний между проводами ВЛ по условиям пляски // Новини енергетики. №3. – 2007. – С. 6-13.

10. Удод Т.Є. Забезпечення ефективності роботи електричних мереж шляхом запровадження засобів захисту від галопування проводів // Матеріали XIV Міжнародної конференції (18-22 червня 2007 р.) “Ресурсоенергозбереження у ринкових відносинах”.– Ялта.–2007. – С. 147-150.

11. Удод Т.Є. Експериментальні дослідження процесів галопування проводів. // Новини енергетики. – №9. – 2007. – С.30-35.

12. Патент 77097 Укр., МКИ H02G 7/00. Спосіб запобігання та гасіння галопування проводів. /Левченко В.Г., Груба Г.І., Удод Т.Є., Крижов Г.П., Плакіда В.Т., Калашніков В.Д./ Заявл. 25.01.2005, опубл. бюл. №10, 16.10.2006.

13. Патент 21664 Укр., МПК H02G 7/00. Високовольтна лінія електропередачі. /Крижов Г.П., Удод Т.Є./ Заявл. 15.03.2007, опубл. бюл. №3, 15.03.2007.

14. Патент. 23068 Укр., МПК H02G 7/00. Повітряна лінія електропередачі. /Крижов Г.П., Удод Т.Є./ Заявл. 15.11.2006, опубл. бюл. №6, 10.05.2007.

15. Патент 23069 Укр., МПК H02G 7/00. Захищена повітряна лінія електропередавання від галопування проводів. /Крижов Г.П., Удод Т.Є./ Заявл. 15.11.2006, опубл. бюл. №6, 10.05.2007.

16. Патент 23070 Укр., МПК H02G 7/00. Захищена лінія електропередачі від галопування проводів. /Крижов Г.П., Удод Т.Є./ Заявл. 15.11.2006, опубл. бюл. №6, 10.05.2007.

17. Патент 23071 Укр., МПК H02G 7/00. Захищена лінія електропередачі від галопування проводів. /Крижов Г.П., Удод Т.Є./ Заявл. 15.11.2006, опубл. бюл. №6, 10.05.2007.

У публікаціях зі співавторами здобувачем виконано: формулювання математичної моделі галопування проводів повітряних ліній електропередачі [2,3], розробку технічних рішень зі створення конструкцій кріплення проводів на проміжних опорах повітряних ліній електропередачі, що попереджують виникнення галопування проводів [5,6], обґрунтування необхідних відстаней між проводами та їх впровадження [1,4,7].

Анотація

Удод Т.Є. – Конструктивний захист повітряних ліній електропередачі від галопування проводів – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 -- будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури. – Макіївка, 2008р.

В дисертаційній роботі визначено головний чинник виникнення стійких резонансних хвиль на проводах повітряних ліній електропередавання (ПЛ) і розроблено конструкції, які захищають проводи ПЛ від галопування і водночас не перешкоджають їх редукуванню у разі обриву.

Уточнена теорія виникнення та розвитку галопування проводів. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження явища галопування проводів з розробкою математичної моделі галопування дозволили встановити причини виникнення та розвиток процесу галопування. Встановлено, що галопування проводів ПЛ є результатом аеропружної взаємодії проводів з вітровим потоком і впливу повздовжніх коливань підвісних кріплень проводів. Доведено, що горизонтальні сили, які діють вздовж осі ПЛ і спричиняють галопування, не перевищують 15% від тяжіння проводу у нормальному режимі. Запропоновані та впроваджені технічні рішення щодо створення конструкцій ПЛ, захищених від галопування проводів.

Впровадження цих технічних рішень на діючих ПЛ за період випробувань біля двох років дало позитивний ефект за рахунок зменшення експлуатаційних витрат в розмірі 38 тис. грн.

Ключові слова: лінія електропередачі, галопування проводів, математична модель галопування, фізична модель галопування, коливання точок кріплення проводів.

Аннотация

Удод Т.Е. – Конструктивная защита воздушных линий электропередачи от галопирования проводов – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 -- строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. – Макеевка, 2008 г.

В диссертационной работе определен основной фактор возникновения устойчивых резонансных волн на проводах воздушных линий электропередачи (ВЛ) и разработаны конструкции, защищающие провода ВЛ от пляски и одновременно не препятствующие их редуцированию в случае обрыва.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования явления пляски проводов с разработкой математической модели пляски позволили установить следующие последовательные этапы развития процесса пляски: влияние воздействия ветра на раскачивание проводов; влияние раскачивания проводов на возникновение продольных колебаний точек крепления проводов; влияние колебаний точек крепления проводов на создание толчковых вертикальных сил, действующих на все точки провода в пролете; создание резонансных колебаний провода (пляски) под действием этих сил. Уточнена теория возникновения и развития пляски проводов. Установлено, что главным фактором возникновения пляски проводов являются продольные колебания точек крепления проводов, в то время как действие ветра представляет собой главный возбудитель первичных воздействий, которые без колебаний точек крепления не приводят к резонансным волнам. Доказано, что горизонтальные силы, действующие вдоль оси ВЛ и вызывающие пляску, не превышают 15% от тяжения провода в нормальном режиме, что позволяет создавать конструкции ВЛ, защищенные от пляски. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретически полученных результатов.

Предложены технические решения по созданию ВЛ, защищенных от пляски проводов под действием ветровых влияний. По результатам проведенных исследований разработана методика проектирования конструкции изоляторов с противоплясочным эффектом (ограниченной прочности) на промежуточных опорах воздушных линий электропередачи. Опыт их внедрения позволит внести изменения в действующие Правила устройства электроустановок и позволит значительно снизить затраты на сооружение воздушных линий электропередачи. Предложены конструкции устройств для использования на действующих и вновь строящихся ВЛ с целью их защиты при пляске проводов. Названные устройства и технические решения защищены патентами.

Внедрение предложенных технических решений на действующих ВЛ за период эксплуатации около двух лет дало положительный эффект за счет уменьшений эксплуатационных затрат в размере 38 тыс. грн.

Ключевые слова: линия электропередачи, пляска проводов, математическая модель пляски, физическая модель пляски, колебания точек крепления проводов.

ABSTRACT

Udod T. Ye. Collision protection of overhead transmission lines against wires galloping processes – Manuscript.

Thesis for competition of Ph. D. degree on speciality 05.23.01 – Engineering Structures, Buildings and Constructions. Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture. – Makiivka, 2008.

In the work the main factor of arising of stable resonant mode at wires of energy transmission air-lines is specified, galloping protection constructions that protect and in the same time do not hamper in reduction in the case of wire break are developed.

Theory of arising and development of wire galloping is improved. Performed theoretical and experimental research of the process of wire galloping with development of the galloping simulator has allowed to define reasons of arising and development of the galloping. It is defined that air-lines wire galloping is a result of airelastic interaction between wires and wind flow and impact of longitudinal wire’s hang swaying. It is proved that horizontal forces acting along air-line axis and resulting galloping process not exceeded 15% of wire stress in the normal conditions. Technical solutions for creation of galloping protection constructions of air-lines are proposed and implemented.

Application of these technical solutions on the running overhead transmission lines during the test period of approximately two years has given the positive effect due to reduction of operating expenses in amount of 38000 UAH.

Key words: transmission line, wire galloping, galloping mathematical model (simulator), galloping physical model, wire’s hang swaying.