Методы повышения долговечности электросетевых конструкций - Пример оптимизационного расчета промежуточной опоры ВЛ 330 кВ Методы повышения долговечности электросетевых конструкций

Страница 4 из 4

ПРИМЕР ОПТИМИЗАЦИОННОГО РАСЧЕТА ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ОПОРЫ БАШЕННОГО ТИПА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 330 кВ

Исследовались промежуточные свободностоящие опоры башенного типа одноцепной ВЛ 330 кВ. Схема приведена на рис. 2. По аналогии с типовым проектом принимались следующие исходные данные: соединение элементов выполнено на болтах, материал конструкции опоры — сталь марки ВСт3псб, токоведущие провода стале-алюминиевые по ГОСТ 839-74.

Опора линии 330 кВ рассчитана на подвеску расщепленных проводов марки АС-400/51 и троса С-70. Расчетные климатические условия: II район по гололеду (толщина стенки гололеда на проводах и тросе 10 мм), III ветровой район (скоростной напор ветра с повторяемостью один раз в десять лет на высоте до 15 м от земли =500 Па), линия проходит по ненаселенной местности. Длина гирлянды изоляторов исходя из условий электрической и механической прочности составляет 3,13 м. Глубина фундаментов принята равной 2,7 м.

К заданным параметрам опор исследуемого типа, назначаемых по технологическим соображениям, относятся расстояния от проводов до ствола, расстояние между проводами, между проводом верхней фазы и грозозащитным тросом, а также параметры нагрузки — толщина стенки гололеда, скоростной напор, тяжение провода (троса) при обрыве. Варьируются высота опоры Н, пролет L, размеры ствола опоры б1 и б2 размеры панелей решетки нижней части ствола, длины отправочных марок поясов ствола I и вариант лакокрасочного покрытия опоры п. Таким образом, при заданном пролете в процессе оптимизации варьируемыми являются 20 непрерывных параметров; дополнительно путем оптимизационного расчета набора вариантов разных схем исследуются оптимальный пролет, а также вариант защитного покрытия в зависимости от температурно-влажностных и аэрохимических параметров атмосферы.

Конструкция опоры рассчитывается на нагрузки нормальных и аварийных режимов. Вертикальными нагрузками являются нагрузки от собственного веса проводов, троса и гололедных отложений на них, горизонтальными — давление ветра на провода, трос, конструкцию опоры, тяжение проводов и троса при обрыве в аварийном режиме. Нагрузка от собственного веса опоры учтена при ее приложении в каждом узле конструкции. В табл. 4 даны значения нагрузок для пролета 440 м.

Оптимизационный расчет выполнялся по трем независимым критериям — минимуму массы, минимуму стоимости «в деле», по критерию стоимости с учетом эксплуатационных затрат.

Исходные параметры геометрии и вариант защитного покрытия задаются по данным типовых проектов.

Принятый порядок расчета предполагает решение задачи оптимизации сначала при заданном пролете и высоте опоры. Затем рассчитываются варианты с различными пролетами, выбирается наилучший и соответствующие ему параметры.

Необходимость унификации элементов приводит к рассмотрению поясов ствола опоры, состоящим из трех типоразмеров.

Поиск оптимальных параметров ведется целенаправленным перебором, при котором масса или стоимость опоры определяется на основе традиционного расчета, в зависимости от варьируемых параметров. На каждом шаге оптимизации с целью вычисления массы при новых геометрических параметрах определяются усилия в стержнях конструкции для всех сочетаний нагрузок, за расчетное принимается максимальное. По расчетным усилиям подбираются сечения элементов, находится их масса.

4. Расчетные нагрузки на опору (L - 440 м)

Расчетные нагрузки на опору

Согласно алгоритма оптимизации при 20 варьируемых параметрах одностоечной опоры башенного типа задавались 21 вершина начального многогранника, каждая вершина которого определяет конструкцию, отличающуюся от остальных хотя бы одним параметром. В вершинах подсчитывались значения массы или стоимости в зависимости от выбранного критерия. Улучшенные значения целевой функции (42) при ограничениях (43)—(48) находились заменой точки (вершины) с максимальным значением на точки с более низким значением с использованием поиска по методу деформируемого многогранника.

Весь процесс оптимизации выполнялся на ЭВМ. В качестве исходных были заданы параметры существующих конструкций. В результате этого получены оптимальные размеры и сечения элементов опор ВЛ.

Существенной особенностью метода оптимизации строительных металлоконструкций является требование, чтобы решение было приемлемым для проектирования всего рассматриваемого класса конструкций. С целью распространения решения на рассматриваемый класс объектов — опор ВЛ башенного типа — модель оптимизационного расчета разработана на основе подразделения процесса проектирования на отдельные процедуры (статический расчет, определение усилий, подбор сечений), а также организации программного обеспечения.

Методика многокритериального оптимизационного расчета реализована при получении оптимальной схемы промежуточной одностоечной опоры башенного типа ВЛ 330 кВ.

Правильный выбор главных размеров ВЛ (высоты и пролета) является дополнительным резервом в снижении стоимости опор ВЛ. Проведены оптимизационные расчеты для пролетов 300—600 м. Оптимальные параметры геометрической схемы конструкции получены для пролета 560 м. При оптимизации для этого пролета и высоты 47,0 м степень агрессивности атмосферы характеризуется скоростью коррозии К = 545,8 г/м2-год, система защитного покрытия — БТ-577+БТ-177. Параметры типовой и оптимальной опоры по критерию стоимости с учетом эксплуатационных затрат приведены в табл. 5.

5. Технико-экономические показатели оптимальной и типовой конструкции ВЛ 330 кВ*

* Стоимостные показатели приведены в ценах 1997 г.

На рис. 15 показаны зависимости изменения массы и стоимости конструкций опор с оптимальными параметрами от высоты пролета, за единицу измерения принят 1 км линии. Остановимся на результатах оптимизации.

Пролет типовой опоры равен 440 м, оптимальный по массе составил 460 м, по критерию стоимости с учетом затрат на эксплуатацию — 560 м. Оптимальный по массе пролет на 4,5% больше типового, по стоимости с эксплуатационными расходами больше на 27,2%, а оптимальный по стоимости пролет превышает оптимальный по массе на 21,7 %. За счет изменения пролета расход стали уменьшился на 3%.

Анализ графиков (рис. 15) показывает, что экстремум по массе для опор ВЛ 330 кВ достигается при пролете 460 м, функция стоимости с учетом затрат при эксплуатации в области экстремума имеет малую кривизну и уменьшается при увеличении пролета во всем исследуемом диапазоне изменения пролета (от 300 до 600 м). Учет требований эксплуатации позволяет существенно увеличивать расстояние между опорами.

Проведенные численные исследования показывают, что конструктивная форма опор ВЛ должна создаваться с учетом требований эксплуатации, особенно при выборе основных размеров конструкций.

Рис. 15. Закономерности изменения массы М опор ВЛ 330 кВ, их стоимости Сх и С2-

Использование метода многокритериальной оптимизации позволяет при проектировании выбирать наилучшую конструкцию при наличии полной информации (в виде набора проектных решений для каждого из контролируемых показателей).