ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Самойленко Михайло Євгенович

УДК 621. 315

ПОРТАЛИ ВІДКРИТИХ РОЗПОДІЛЬчИХ ПриСТРОЇВ З ГАРАНТОВАНИМИ ПОКАЗНИКАМИ БЕЗВІДКАЗНОСТІ та ДОВГОВІЧНОСТІ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 1999

Дисертація є рукописом.

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

Наукові керівники: Доктор технічних наук, професор Горохов Євген Васильович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, ректор, завідувач кафедри;

Кандидат технічних наук, доцент Шаповалов Сергій Миколайович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Пічугін Сергій Федорович, Полтавський державний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, завідувач кафедри;

Доктор хімічних наук, професор Доня Олександр Пантелейович, Макіївський економіко-гуманітар-ний інститут, декан факультету.

Провідна установа: Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, кафедра металевих і дерев’яних конструкцій, Міністерство освіти України (м. Дніпропетровськ).

Захист дисертації відбудеться “11” лютого 1999 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, Зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаській державній академії будівництва і архітектури.

Автореферат розісланий “11” січня 1999 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради

доктор техн. наук, професор В.А. Матвієнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значну частину основних виробничих фондів підприємств електричних мереж складають конструкції та устаткування високовольтних підстанцій, у тому числі – портали відкритих розподільчих пристроїв (ВРП). На теперішній час у СНД експлуатується біля 1 млн. тонн металоконструкцій порталів. Тільки в Україні споруджено 5385 підстанцій. Причому третина з них експлуатується протягом 30–60 років, тобто вичерпала розрахунковий термін служби або він близький до закінчення. Вимоги до безвідказності розподільчих пристроїв значно вищі, ніж до безвідказності повітряних ліній електропередачі, тому що аварії і відмови на підстанціях призводять до значно більших збитків.

Систематичні дослідження надійності і довговічності порталів відкритих розподільчих пристроїв в Україні не проводяться. Остання дисертаційна робота, присвячена удосконалюванню конструктивної форми і методів розрахунку порталів ВРП, виконана в 1975 р.

Тому для забезпечення заданої безвідказності і довговічності необхідно вивчити фактичні природно-кліматичні навантаження і впливи; оцінити вплив фізико-хімічних параметрів атмосфери та умов експлуатації на міцносні характеристики конструкцій; удосконалити традиційні і розробити нові підходи при проектуванні і реконструкції порталів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних робіт, проведених на замовлення Міненерго України, і галузевих науково-технічних тем № _Н “Розробка галузевих нормативних документів по обстеженню і перерахунку електромережевих конструкцій” (1995 р.) і № 64.08.005.5.7 “Визначення допустимого зносу металевих електромережевих конструкцій: методи, розробка приладів” (1996 р.).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є забезпечення надійності і довговічності порталів ВРП при проектуванні та реконструкції за рахунок удосконалення методів розрахунку та конструктивної форми. Для досягнення поставленої мети вирішені такі задачі:

-

- проведені чисельні дослідження впливу дефектів і пошкоджень на напружено-деформований стан (НДС) порталів;

- експериментально вивчена кінетика руйнування систем захисних покриттів (лакофарбових /ЛФП/, цинкових і комбінованих /цинк–ЛФП/) у залежності від аерохімічних параметрів атмосфери;

- уточнене районування території України по вітру і ожеледі, отримані коефіцієнти надійності за ожеледними та вітровими навантаженнями;

- розроблені алгоритм і програма розрахунку ймовірності безвідказної роботи порталів ВРП і проведені чисельні дослідження їх безвідказності;

- виконано техніко-економічне порівняння різноманітних конструктивних рішень порталів ВРП і систем антикорозійного захисту.

Наукова новизна отриманих результатів. При виконанні дисертації отримані такі наукові положення і результати:

-

- регресійні моделі, що описують довговічність лакофарбових, цинкових і комбінованих покриттів у залежності від концентрації сірчаного ангідриду та тривалості зволоження;

- чисельні значення показників безвідказності для різноманітних конструктивних форм, систем антикорозійних покриттів і умов експлуатації порталів ВРП;

- коефіцієнти надійності за ожеледними та вітровими навантаженнями, диференційовані в залежності від розрахункового періоду повторюваності;

- конструктивне рішення порталу ВРП з оптимальними техніко-економічними показниками і гарантованими показниками безвідказності та довговічності.

Практичне значення отриманих результатів. Матеріали досліджень ввійшли до нормативного документу Міненерго України “Портали металеві і залізобетонні відкритих розподільчих пристроїв напругою 35–330 кВ. Методичні вказівки по обстеженню”, а також використані при проведенні обстежень підстанцій Міненерго України.

Розроблено карти районування території України по максимальній швидкості вітру, швидкості вітру при ожеледі, товщині і щільності ожеледних відкладень.

Запропоновані засоби підвищення несучої спроможності споруд (Патенти України № 7646А, № 20581А) використані при виконанні робіт по реконструкції на підприємствах ДАЕК “Донецькобленерго” і НЕК “Укренерго”. Економічний ефект від впровадження результатів досліджень складає 520 тис. грн.

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

-

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

- опрацювання статистичних даних метеостанцій і побудова карт районування території України;

- систематизація і науковий аналіз отриманих результатів.

У публікаціях із співавторами здобувачем виконані: класифікація недосконалостей і визначення їх граничних значень [1]; чисельні дослідження і аналіз результатів [2, 3, 6, 10]; конструювання та розрахунок елементів підсилення [7, 8].

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на міжнародних конференціях “Надійність і безпека старіючих систем енергетики” (Київ, 1995 р.), “Металлостроительство – 96”, (Донецьк – Макіївка, 1996 р.), Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції” (Київ – Миколаїв 1996 р.), “Теорія і практика металевих конструкцій” (Донецьк – Макіївка, 1997 г.).

Публікації. По темі роботи опубліковано 10 друкованих робіт, що відбивають її основний зміст, у тому числі галузевий нормативний документ, розділ монографії, 2 патенти України, 6 статей у науково-технічних журналах і збірниках наукових праць.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'ятьох глав, основних результатів і висновків, списку використаної літератури (158 найменувань) і п'ятьох додатків. Робота викладена на 190 сторінках, у тому числі 128 сторінок основного тексту, 15 сторінок списку літератури, 25 повних сторінок з рисунками і таблицями, 22 сторінки додатків.

ОСНОВНий ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні наукові результати, отримані автором, показані їхнє практичне значення і реалізація.

У главі 1 виконаний аналіз методів розрахунку надійності і довговічності споруд (роботи В.В. Болотіна, О.Р. Ржаніцина, М.С. Стрелецького, С.Ф. Пічугіна, A. Ang, M. Amin, C.A. Cornell, O. Ditlevsen, E.J. Gumbel, A.M. Freudenthal, A.M. Hasofer, R. Levi, N.C. Lind, M. Maier, F. Moses, W. Weibull і ін.); розглянуті сучасні принципи проектування і виготовлення сталевих електромережевих конструкцій (роботи Й.Г.Барга, Є.М.Бухаріна, О.О. Глазунова, К.П.Крюкова, О.І.Курносова, П.І.Романова, А.В.Сильвестрова, В.І. Трофімова).

Специфіка теорії надійності будівельних конструкцій полягає в тому, що необхідно враховувати спільну дію випадкових навантажень і впливів на систему з випадковими міцносними характеристиками. В теперішній час математично строге рішення задач надійності будівельних споруджень може бути отримано лише для невеличкої кількості простих конструкцій. Тому для забезпечення надійності порталів відкритих розподільчих пристроїв доцільна розробка наближених методів розрахунку, що враховують специфіку роботи споруди.

Поведінку порталів ВРП у процесі експлуатації в першу чергу визначають кліматичні навантаження і корозійний знос елементів. Параметри розподілів екстремальних значень ожеледно-вітрових навантажень для метеостанцій України отримані В.Б.Нарожним і С.Я.Княжевською. Проте нормативні значення навантажень і коефіцієнти надійності запропоновані не були. Вивчення корозійних процесів і кінетики руйнування систем антикорозійного захисту сталевих конструкцій проводилося науковими колективами під керівництвом Г.В.Акімова, Ю.Л.Вольберга, А.І.Голубєва, Є.В.Горохова, А.І.Кікіна, І.І.Кошина та ін. Відзначається, що умови і швидкість протікання деструктивних процесів у захисних покриттях і в металі змінюються в дуже широких межах. У той же час швидкість руйнування антикорозійних покриттів електромережевих конструкцій як функція фізико-хімічних параметрів атмосфери не була досліджена. Перспективними представляються роботи з дослідження довговічності і безвідказності порталів ВРП з урахуванням особливостей умов експлуатації і накопичених дефектів і пошкоджень.

Аналіз існуючих проектних рішень ВРП показує, що, незважаючи на різноманіття факторів, які визначають конструктивну форму порталів, їхня схема приймається однотипною і має ряд істотних хиб. Інститутом “Гідропроект” разом із “УкрНДІпроектстальконструкція” розроблені портали з труб, але їхнє застосування економічно доцільне тільки для компактизованих розподільчих пристроїв.

На основі вивчення стану питання сформульовані основні напрямки досліджень.

У главі 2 виконана оцінка технічного стану і вивчено вплив дефектів і пошкоджень на дійсну роботу металевих порталів ВРП. Намітити основні шляхи удосконалення конструкцій порталів можна тільки на підставі аналізу результатів обстеження конструкцій, які експлуатуються. Тому була виконана оцінка технічного стану більш 400 порталів ВРП напругою 35–750 кВ на підстанціях ДАЕК “Донецькобленерго” і НЕК “Укренерго”. Для цього розроблена методика проведення обстежень, що включає організацію контролю технічного стану порталів, порядок проведення натурного огляду, уточнення навантажень і впливів, визначення характеристик матеріалу конструкцій і оцінку технічного стану.

За результатами обстежень визначені основні види недосконалостей металевих порталів (рис.1), встановлено причини їхньої появи і виконана систематизація дефектів і пошкоджень.

При оцінці технічного стану основним є питання про дійсну несучу здатність споруди і вплив різноманітних недосконалостей на напружено-деформований стан (НДС) її елементів. Для вивчення цього питання були проведені чисельні дослідження всіх типових шинних і осередкових порталів ВРП 35–330 кВ за допомогою програмного комплексу ЛИРА–Windows 5.0.3.

Рис. . Пошкоджуваність металевих порталів ВРП 35–330 кВ | Пошкодження антикорозійного захисту і корозійний знос: 1 – руйнування захисного покриття; 2 – суцільна рівномірна корозія елементів; 3 – щілинна корозія з'єднань; 4 – місцева корозія нижніх частин і баз стояків; 5 – інші види корозії. Механічні пошкодження: 6 – відхилення планово-висотного положення і неприпустимі деформації конструкцій; 7 – скривлення елементів; 8 – відрив елементів (як правило внаслідок руйнування зварних і болтових з'єднань при щілинній корозії); 9 – руйнування фундаментів; 10 – зменшення стріли провісу проводів; 11 – інші. Дефекти виготовлення та матеріалу  – 12

а) |

б)

Рис. . Зміна напружень у найбільше напружених елементах 8-прольотного осередкового порталу ВРП 110 кВ при рівномірній поверхневій корозії: а) пояс верхньої секції стояка; б) решітка верхньої секції стояка

Розрахунки виявили істотний вплив рівномірної корозії на розмір зусиль і напружень у стержнях конструкцій (рис. 2). Зміна зусиль пояснюється зменшенням геометричних характеристик перетинів елементів у процесі корозійного зносу, які призводять до “гри сил” у системі. Перерозподіл зусиль в елементах залежить від співвідношення жорсткостей EA поясів і решітки, жорсткості вузлових з'єднань, схеми прикладення навантажень і конструктивних особливостей споруди. Як правило, при корозійному зносі зусилля перетікають із найбільше напружених елементів на елементи менше напружених граней конструкції. Картина зміни зусиль однакова для будь-якого типу решітки, запропонованої СНиП II–23–81*.

Несуча здатність порталів в значній мірі визначається наявністю скривлень в елементах конструкції. Особливість роботи конструкції з погнутими елементами полягає в перерозподілі зусиль із деформованого стержня на сусідні елементи. У результаті чисельних досліджень установлено, що момент у погнутому елементі пояса можна визначити за формулою:

Mm = kI kf ksN0m f, ()

де kI – коефіцієнт, який залежить від співвідношення жорсткості поясу EIm (Нм2) та решітки EId:

kI = 0,635+0,00584·EIm/EId; ()

kf – коефіцієнт впливу форми скривлення (табл. 1); ks – коефіцієнт, який ураховує вид сполучення поясів і решітки (при жорсткому сполученні решітки з поясами ks=1, при шарнірному сполученні ks=1,1); N0m – поздовжня сила, обчислена за недеформованою схемою, Н; f – розмір погнутості, м

Таблиця – Коефіцієнт впливу форми скривлення kf

Форма скривлення | Скривлення в межах однієї панелі | Скривлення в межах двох панелей

lпогн.=1/2lэлемента

kf | 1,0 | 1,098 | 1,257 | 0,733

У елементах пояса, що примикають до погнутого стержня, додаткові згинальні моменти складають 1040% від Mm (у залежності від конструктивної схеми опори, типу і жорсткості решітки). Момент в суміжному елементі решітки:

Md = k Mm, ()

де k = 0,236-0,0173 EIm/EId+0,000338·(EIm/EId)2.

Зниження поздовжньої сили в погнутому елементі складає 2—25% у залежності від типу порталу, навантаження, що діє, і місця розташування елемента. У той же час в елементах сусідніх (менше напружених) граней можливо збільшення N до 30%.

Згинальний момент у погнутому елементі решітки дорівнює:

Md = kcN0d f, ()

де kc – коефіцієнт, який ураховує вид сполучення поясів і решітки та форму скривлення (табл. 2).

Таблиця – Коефіцієнт kc

Погнутість | У площині решітки | З площини решітки

Сполучення решітки з поясами | шарнірне | 1-1,37f-57,8f 2 | 1-4,56f-84,3f 2

жорстке | 0,580-7,00f+62,2f 2 | 0,458-2,5f

Момент в елементі решітки суміжному до погнутої в площині решітки (для жорсткого сполучення):

M2d = 0,4 Md. ()

Фактичний розмір зусиль у розкосах при шарнірному примиканні:

Nd = kcN0d, ()

а при жорсткому примиканні Nd у 1,7—2,4 рази більше добутку kcN0d. В інших панелях вплив скривлення на зміну зусиль незначний. Істотного впливу на НДС поясів погнутість решітки не робить.

Розрахункові напруження в погнутих елементах наведені на рис. 3. Як видно з рисунка стержні, що мають більший момент опору менше сприйнятливі до наявності скривлень.

Відхилення планово-висотного положення конструкції рідко призводить до істотного перенапруження елементів. Звичайно при загальному вигині або крені конструкції зміна зусиль складає не більш ± 2% (для f/l=3/100).

Рис. . Зміна напружень у погнутому поясі верхньої секції стояка осередкового порталу ВРП  кВ

Визначення резерву міцності споруди не можливе без урахування дійсної роботи елементів конструкції. Дослідження показали залежність розміру зусиль у стержнях від умови закріплення елементів. Як правило, різниця зусиль при розрахунку конструкцій із шарнірним примиканням решітки до поясів, і розрахунку системи з жорсткими вузлами, не перевищує 15%. В окремих випадках зусилля зростають до 25% (решітка траверси осередкового порталу ВРП 330 кВ). Напруження від додаткових моментів при розрахунку конструкції з урахуванням розцентровки (зсуви) геометричних осей розкосів і поясів у площині і з площини решітки звичайно знаходяться в межах ±5—15 МПа (2–6% від розрахункового опору). Для вузлів, що об'єднують велике число елементів, додаткові напруження <40МПа (15% від розрахункового опору). Зміна поздовжньої сили в найбільше напружених елементах поясів незначна. У елементів решітки стояків N<±2,5%, а в елементах решітки траверс N<±5%. Причому, чим “міцніше” сполучені елементи, тим менше значущій вплив розцентровки осей.

Резерви несучої здатності порталів ВРП, що експлуатуються, можуть бути отримані також у результаті уточнення фактичних вітрових і ожеледних навантажень (див. нижче), навантажень від власної ваги технологічного устаткування, урахування фактичної геометрії проводів.

У главі 3 наведені результати експериментальних досліджень довговічності антикорозійних покриттів.

Існуючі методи оцінки строку служби лакофарбових покриттів не дозволяють визначити довговічність ЛФП будівельних металоконструкцій в залежності від фізико-хімічних параметрів атмосфери. Не розроблені математичні моделі для опису швидкості корозії цинку в комбінованому покритті. Для вивчення кінетики корозійного руйнування захисних покриттів виконані комплексні прискорені випробування чотирьох систем лакофарбових і комбінованих покриттів, а також цинкового покриття. Експеримент проводився в камерах агресивних середовищ протягом 2 років. Експонувалося всього 855 зразків з антикорозійними покриттями та 1980 сталевих зразків для урахування фактору часу.

Довговічність лакофарбових покриттів добре описується рівняннями регресії виду:

, ()

де X1, ... X3 – відповідно концентрація оксиду сірки (SO2), г/(м2сут); тривалість перебування фазової вологи на поверхні покриття, час/рік; те ж адсорбційної, час/рік; A, B, C, D – коефіцієнти регресії (табл. 3).

Таблиця – Коефіцієнти регресії рівнянь довговічності ЛФП

Коеф. | Системи антикорозійних покриттів

Ж. сурик + ж. сурик | ГФ-021+ПФ-115 | ФЛ-04к+ХВ-16 | ВЛ-02+ГФ-021+ХВ-124

по сталі | по цинку | по сталі | по цинку | по сталі | по цинку | по сталі | по цинку

A | 194723 | 19711 | 418477 | 9613 | 70512 | 269206 | 55911 | 11443

B | -1,0301 | -0,9322 | -1,0158 | -0,9615 | -1,0043 | -0,9563 | -0,9647 | -1,0003

C | -0,3765 | -0,3525 | -0,2699 | -1,2480 | -0,2647 | -0,3076 | -0,1662 | 0,006969

D | -0,4904 | -0,2884 | -0,7361 | -0,3261 | -0,4529 | -0,5523 | -0,4953 | -0,4547

Грунт і покривний шар наносились в два шари товщиною 30 мкм, товщина шару цинку – 80 мкм. Відказу ЛФП відповідає значення узагальненого показника захисних властивостей
Aз=0,35. Приділена енергія сонячного випромінювання складала 10 МДж/(м2сут), що відповідало умовам помірного клімату.

Глибина корозійної поразки цинку в цинковому покритті лінійно залежіть від часу t:

h = h1 t, ()

де h1 – швидкість корозійної поразки цинку, мкм/рік.

Глибина корозійного руйнування цинкової підложці в комбінованому покритті може бути описана функцією виду:

()

де tc – термін служби ЛФП на цинковій підложці, рік; c – постійна; h1c –швидкість корозійної поразки цинку, мкм/рік.

Величини с, h1 и h1c описуються регресійними залежностями виду (7), коефіцієнти регресії наведені в табл. 4. Коефіцієнт кореляції моделей знаходиться в межах 0,78–0,96.

Таблиця – Коефіцієнти регресії рівнянь, що описують с, h1 и h1c

Коеф. | Системи антикорозійних покриттів

Цинк | Ж. сурик +
+ ж. сурик | ГФ-021+ПФ-115 | ФЛ-04к+ХВ-16 | ВЛ-02+ГФ-021+ХВ-124

h1 | cs | h1s | cs | h1s | cs | h1s | cs | h1s

A | 0,0009007 | 0,01874 | 0,000152 | 2,184E-08 | 0,00103 | 0,1166 | 2,0E-07 | 1,9075 | 7,84Е-15

B | 1,0558 | 0,1860 | 0,8851 | -0,2477 | 1,1037 | 0,1638 | 1,3297 | 0,0362 | 0,6365

C | 0,1655 | 0,8960 | 0,4351 | 2,8318 | 0,4210 | 0,1886 | 0,2024 | 0,0779 | 2,8844

D | 0,4336 | 0,5599 | 0,224 | -0,2160 | 0,1732 | 0,3051 | 1,4237 | -0,3942 | 1,1085

Отримані рівняння можна використовувати при виборі оптимального антикорозійного захисту та призначення товщини цинку в комбінованому і цинковому покритті в залежності від заданих умов експлуатації.

У главі 4 проведені дослідження безвідказності порталів ВРП. Забезпечення потрібної надійності та довговічності електромережевих конструкцій неможливо без достовірної інформації про кліматичні навантаження та впливи, які сприймає споруда. Аналіз результатів багаторічних спостережень на метеостанціях показав, що кліматичні параметри, прийняті відповідно до СНиП і ПУЭ, істотно відрізняються від фактичних. Вітрові навантаження в західних, південних і східних регіонах України часто перевищують нормативні значення. Товщина стінки ожеледі також може перевищувати значення, прийняті в нормах. Щільність ожеледних відкладень коливається в межах 50–900 кг/м3, форма відкладень далека від циліндричної. Нормативна швидкість вітру при максимальній ожеледі vnq складе (0,120,8)vnмах. Причому аналіз сполучень ожеледних і вітрових навантажень не виявив кореляцію між vnq і вагою, діаметром, щільністю ожеледних відкладень або vnмах. Коефіцієнти варіації кліматичних навантажень збільшується при збільшенні нормативного значення навантаження.

Результати статистичного опрацювання даних метеостанцій дозволили уточнити районування території України по кліматичним характеристикам (створені карти районування по максимальної швидкості вітру (рис. 4), швидкості вітру при ожеледі, товщині і щільності ожеледних відкладень) і одержати коефіцієнти надійності за вітровим і ожеледним навантаженням (табл. 5).

Рис. . Районування території України по максимальної швидкості вітру

Таблиця – Коефіцієнти надійності f за вітровим і ожеледним навантаженням і їхні середньоквадратичні відхилення

Вид навантаження | Кліматичний район (швидкість вітру, м/с вітровий тиск, Па) | Число метеостанцій в районі | Період повторюваності

50 | 150 | 500

f | f | f

Вітрове | I, II (25400**) | 20 | 1,43 | 0,071 | 1,77 | 0,132 | 2,17 | 0,209

III (29500) | 51 | 1,46 | 0,940 | 1,81 | 0,177 | 2,25 | 0,284

IV (32650) | 74 | 1,51 | 0,147 | 1,93 | 0,279 | 2,42 | 0,465

V (36800) | 37 | 1,56 | 0,102 | 1,98 | 0,225 | 2,55 | 0,314

VI, VII (401000, 451250) | 21 | 1,60 | 0,124 | 2,09 | 0,235 | 2,69 | 0,383

Вітрове при ожеледі– | 201 | 2,19 | 0,228 | 3,24 | 0,506 | 4,65 | 0,774

Ожеледне– | 201 | 1,47 | 0,052 | 1,77 | 0,084 | 2,08 | 0,117

* Розрахункові періоди повторюваності прийняті відповідно до рекомендацій Міжнародної електротехнічної комісії.

**Нормативна швидкість вітру і вітровий тиск прийнято відповідно до п. 2.5.22 і табл. 2.5.1 ПУЭ для місцевості типу А з періодом повторюваності 10 років і 2_хвилинним інтервалом усереднення.

Принципово іншим шляхом, спрямованим на забезпечення безвідказної роботи споруди, є одержання кількісного показника надійності. Створення апарату для чисельної оцінки безвідказності дозволяє проектувати конструкції з гарантованою надійністю при мінімальних витратах. Запропоновано методику розрахунку надійності порталів ВРП, яка використовує принципи стохастичної імітації і враховує фактичну мінливість навантажень, зміну несучої спроможності з бігом часу, особливості експлуатації. Надійність споруди (системи вищого рівня) оцінюється на підставі надійності її окремих елементів і вузлів (систем нижнього рівня). За показник безвідказності елемента прийнята ймовірність безвідказної роботи.

Безвідказність розглядається як функція дискретних значень часу. Крок збільшення часу t прийнятий таким, що дорівнює 1 року. Ймовірність безвідказної роботи елемента протягом T років:

; ()

; ()

St = Rt - t, ()

де Pt – ймовірність безвідказної роботи елемента протягом t-того року; fSt – щільність розподілу запасу міцності St елемента в t-м році; Rt, t – випадкові величини, що описують відповідно опір матеріалу елемента і напруження в елементі, що відповідають значенню часу t. У розрахунку оперують дискретними випадковими величинами (ДВВ).

Напруження t є невипадковою функцією випадкових величин, що описують зусилля в елементі N, Mx, My, Qx, Qy і стохастичних процесів, що задають геометрію перетину елемента At, Wnmint, St, It, Ixnt та Iynt. Для одержання ДВВ сумарних зусиль N, Mx, My, Qx, Qy у t-му році на основі інформації про розподіли річних максимумів навантажень одержують ДВВ навантажень, а потім обчисляють ДВВ зусиль в елементі для кожного типу навантаження. Для цього зусилля (N, Mx, My, Qx, Qy) в елементі наведені у вигляді:

, ()

де f – номер навантаження; nf – число навантажень; f – коефіцієнт, що приймає значення 1, якщо f-те навантаження в аналізованому розрахунковому режимі відмінні від нуля і дорівнює 0, якщо навантаження дорівнює 0; Nf – зусилля в елементі від навантаження f:

; ()

kNf,p=Np/Fp, ()

де Np – розрахункове зусилля в аналізованому елементі від розрахункового навантаження Fp (розрахункові зусилля обчислюються за допомогою відповідних програмних засобів); Ff – деяке значення ДВВ f-того навантаження.

Такий підхід обумовлений тим, що навантаження від власної ваги конструкцій, проводів і устаткування, ожеледні і вітрові навантаження характеризуються різноманітними функціями розподілу. У результаті формують дискретні випадкові величини сумарних зусиль від будь-якого числа навантажень. Оскільки перебір усіх значень зусиль від усіх навантажень потребує великих витрат машинного часу на кожному кроці обчислень провадиться скорочення числа елементів ДВВ (рис. 5).

Геометричні характеристики перетину стержня At, Wnmint, St, It, Ixnt та Iynt у розрахунковий момент часу t визначаються початковими значеннями розмірів перетину елементів, що описуються щільностями розподілу fh1(h1)...fhn(hn), і корозійними втратами на розрахунковий момент часу (обчислюються виходячи з товщини шару металу hkt, який прокородував, що описується випадковим процесом fk(hk,t)). Параметри процесу fk(hk,t) вибираються в залежності від аерохімічних параметрів атмосфери, класу сталі і конструктивної форми елемента. На підставі fh1(h1)...fhn(hn) і fk(hk,t) одержують ДВВ геометричних характеристик переріза стержня для кожного року t. Потім обчислюють дискретні випадкові величини t і St. Щільність розподілу fSt(St) підбирається за значеннями ДВВ St.

Рис. . Схема одержання ДВВ сумарного зусилля в елементі Ns для року t

Якщо конструкцію розглядати як систему послідовно-паралельно сполучених елементів, то ймовірність безвідказної роботи конструкції може бути визначена за формулою:

, ()

де m – число послідовно сполучених підсистем; r0 – узагальнений коефіцієнт кореляції підсистем, що враховує стохастичну залежність надійності елементів системи; max[Pss(T)] – значення ймовірності безвідказної роботи елемента з максимальним рівнем надійності протягом T років; Pse(T) – ймовірність безвідказної роботи елемента e протягом T років; n – кількість елементів у підсистемі.

На основі викладеної методики розроблений алгоритм і програма на мові Pascal та виконані чисельні дослідження надійності різноманітних типів порталів ВРП. Розрахунок показав, що стержні, у яких напруження близькі до розрахункового опору (нижні стержні поясів стояків, пояси траверс, елементи решітки, що сприймають великі поперечні сили) мають ймовірність безвідказної роботи, які відрізняються значно від одиниці (рис. 6). Такі елементи в першу чергу визначають надійність конструкції, по їхній поведінці в процесі експлуатації можна судити про стан конструкції в цілому. Для підвищення довговічності і надійності конструкцій, що працюють в агресивних середовищах, зазначені елементи мають потребу в особливо ретельному антикорозійному захисті. Істотно впливає на надійність конструкції, що працює в агресивному середовищі, конструктивна форма елементів і тип антикорозійного захисту. Найбільш раціональними формами переріза з погляду корозійної стійкості конструкції є профілі з найменшим відношенням площі переріза до його периметра (замкнуті профілі, елементи круглого або квадратного перетину).

a)

г) |

б) |

в)

Рис. . Ймовірність безвідказної роботи:

а – 907 для різноманітних типів атмосфери (1 – корозія сталі цілком виключена; 2 – середньоагресивна атмосфера, антикорозійне покриття – Zn 180 мкм + ГФ_+ ПФ-115; 3 – те ж, незахищене цинкове покриття товщиною 240 мкм; 4 – неагресивна атмосфера, Zn 40 мкм + ГФ-021 + ПФ-115, 5 – те ж, незахищене цинкове покриття товщиною 240 мкм; 6 – те ж, ГФ-021 + ПФ-115); б – 907 для різноманітних рівнів напруження (1 – =0,3Ry; 2 – =0,6Ry; 3 – =0,9Ry); в – різноманітних типів перетинів, =0,9Ry (1 – кругла сталь 20; 2 – трубчастий перетин 894; портал 3 – 907; 4 –

504); г – конструкції в цілому (1 – портал ВРП 110 кВ, корозія стали цілком виключена; 2 – ВРП 110 кВ, конструкції з кутків; 3 – те ж, чотиригранні з труб; 4 – те ж, тригранні з труб). У розрахунку прийнято, що комбіноване і цинкове покриття в процесі експлуатації не відновлюється, ЛФП відновлюється 1 раз за 7 років. На рис. б–г процес показаний для конструкцій із комбінованим покриттям Zn 180 мкм + ГФ_+ ПФ-115

У главі 5 виконана оптимізація геометричних параметрів решітчастого тригранного осередкового порталу ВРП 110 кВ із трубчастих елементів (рис. ) за допомогою методу Нелдера–Міда. Задача оптимізації зведена до мінімізації маси конструкції при заданій напрузі ВРП, схемі і розміру зовнішніх навантажень, параметрах експлуатаційного середовища і типі перетинів елементів. Варіювалися геометричні розміри стояків (a, b) і траверси (c).

Рис. . Оптимальна конструктивна схема порталу ВРП 110 кВ

На підставі отриманих регресійних моделей довговічності систем антикорозійного захисту проведений аналіз техніко-економічних показників оптимальної та типової конструкції порталу із різноманітними захисними покриттями. При порівнянні варіантів товщина цинкового покриття елементів призначалася диференційовано в залежності від конструктивних особливостей порталу, агресивності середовища і терміну служби конструкції. Визначення вартості конструкції проводилося з урахуванням заводських витрат, транспортування, монтажу та експлуатації протягом 50 років. У розрахунку використана система цін, що склалася в Україні на даний час.

а) |

б)

в) |

г)

Рис. . Вартості порталів ВРП із різноманітними системами антикорозійних покриттів з урахуванням експлуатаційних витрат

а) помірно волога неагресивна атмосфера, конструкція з кутків (маса 6,4 т); б) те ж, конструкція з труб (решітки із сталі круглого перетину; маса 4,3 т); в) помірно волога агресивна атмосфера, конструкція з кутків; г) те ж, конструкція з труб; 1 – Цинкове покриття; 2 – Zn + залізний сурик + залізний сурик; 3 – Zn +ГФ-021 + ПФ-115; 4 – Zn + ФЛ-04к + ХВ_; 5 – Zn +ВЛ-02 + ГФ-021 + ХВ-124; 6 – Залізний сурик + залізний сурик; 7 – ГФ_+ ПФ-115; 8 – ФЛ-04к + ХВ-16; 9 – ВЛ-02 + ГФ-021 + ХВ-124.

Встановлено, що тільки в сухій і помірно-вологій неагресивній атмосфері економічно вигідне застосування лакофарбових покриттів (залізний сурик, ГФ-0119+ПФ-115) в інших середовищах ефективне цинкове або комбіноване покриття. Причому зі збільшенням агресивності середовища перевага цинкових і комбінованих покриттів збільшується (рис. 8). При однаковій вартості цинкового і комбінованого покриття надійність останнього вище.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Анотація

Самойленко Михайло Євгенович. Портали відкритих розподільчих пристроїв з гарантованими показниками безвідказності і довговічності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі і споруди, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 1999.

Встановлено основні чинники, що визначають надійність порталів відкритих розподільчих пристроїв. Розроблено методику обстеження порталів. Математично описаний вплив дефектів і пошкоджень на напружено-деформований стан елементів конструкцій порталу ВРП. Отримано регресійні моделі, що описують довговічність лакофарбових, цинкових і комбінованих покриттів. Уточнено районування території України по кліматичним характеристикам і отримані коефіцієнти надійності за вітровими і ожеледними навантаженнями, диференційовані в залежності від розрахункового періоду повторюваності. Встановлено кількісні значення ймовірність безвідказної роботи порталів ВРП. Запропоновано конструктивну схему порталу ВРП 110 кВ із тригранними решітчастими секціями з труб. Виконано техніко-економічний аналіз різноманітних систем антикорозійного захисту.

Ключові слова: портал відкритого розподільчого пристрою, безвідказність, довговічність, антикорозійний захист, напружено-деформований стан.

Аннотация

Самойленко Михаил Евгеньевич. Порталы открытых распределительных устройств с гарантированными показателями безотказности и долговечности. – 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, Макеевка, 1999.

Диссертация посвящена вопросам обеспечения надежности и долговечности порталов открытых распределительных устройств (ОРУ) в процессе проектирования и реконструкции.

По результатам обследований 400 порталов ОРУ определены основные виды несовершенств металлических порталов, установлены причины их появления и выполнена систематизация дефектов и повреждений. Разработана методика обследования и диагностики эксплуатируемых конструкций.

Численно исследована действительная несущая способность сооружений и влияние различных дефектов и повреждений на напряженно-деформированное состояние элементов порталов. Определенно, что учтет условий закрепления и расцентровки стержней конструкции в узлах позволяет уточнить напряжения в элементах в пределах 5–15 МПа. Равномерный коррозионный износ глубиной до 1 мм вызывает увеличение напряжений в элементах поясов до 45%, а в элементах решетки – до 90%. Для вычисления усилий в конструкциях с погнутыми стержнями предложены аналитические зависимости, учитывающие величину и форму погнутости, вид закрепления и соотношение жесткостей элементов.

Представлены результаты экспериментальных исследований кинетики разрушения антикоррозионных покрытий. Получены регрессионные модели, описывающие срок службы лакокрасочных покрытий на стальной и цинковой подложке в зависимости от агрессивности среды и продолжительности фазового и адсорбционного увлажнения. Для описания глубины коррозионного поражения цинка в комбинированном и цинковом покрытии использованы полиномы первой степени. Коэффициенты полиномов вычисляются с помощью показательных уравнений регрессии.

Результаты статистической обработки данных 203 метеостанций позволили уточнить районирование территории Украины по климатическим характеристикам (созданы карты районирования по максимальной скорости ветра, скорости ветра при гололеде, толщине и плотности гололедных отложений). Получены коэффициенты надежности по ветровым и гололедным нагрузкам в зависимости от их расчетного периода повторяемости.

Проведены численные исследование безотказности порталов ОРУ. Установлено, что в зависимости от параметров природно-климатических нагрузок и воздействий, вида антикоррозионного покрытия и условий эксплуатации вероятность безотказной работы порталов ОРУ через 50 лет эксплуатации колеблется в пределах 0,75–0,95.

Предложена новая конструктивная схема решетчатого ячейкового портала ОРУ 110 кВ с трехгранными секциями из труб. С помощью метода Нелдера-Мида выполнена оптимизация геометрических параметров портала по критерию массы. Новая конструктивная схема позволяет снизить стоимость портала на 15–35% по сравнению с типовым решением.

На основании исследований долговечности систем антикоррозионной защиты проведен анализ технико-экономических показателей конструкций порталов ОРУ с различными защитными покрытиями. Показано преимущество порталов с комбинированными и цинковыми покрытиями по сравнению с окрашиваемыми конструкциями. С увеличением агрессивности эксплуатационной среды экономический эффект от применения цинковых и комбинированных покрытий возрастает.

Результаты научных исследований использованы при разработке отраслевого нормативного документа Минэнерго Украины “Порталы металлические и железобетонные открытых распределительных устройств напряжением 35–330 кВ. Методические указания по обследованию”, а также внедрены при оценке технического состояния и реконструкции высоковольтных подстанций ГАЭК “Донецкоблэнерго” и НЭК “Укрэнерго”.

Ключевые слова: портал открытого распределительного устройства, безотказность, долговечность, антикоррозионная защита, напряженно-деформированное состояние.

Abstract

Michael Eugenievich Samoylenko. Portals of external switch-gears with guaranteed reliability