Методы повышения долговечности электросетевых конструкций

• Методы повышения долговечности электросетевых конструкций
• Оптимизация опор воздушных линий по критерию стоимости
• Целевая функция, ограничения и оптимизационный алгоритм
• Пример оптимизационного расчета промежуточной опоры ВЛ 330 кВ

РАЦИОНАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСЕТЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

По мере накопления опыта строительства и эксплуатации воздушных линий электропередачи и подстанций конструкторские концепции развиваются и пересматриваются. На первый план выдвигаются требования обеспечения надежности и долговечности конструкций, снижение затрат при изготовлении, монтаже и эксплуатации.

В связи с этим у проектировщика должны быть средства как для оценки эксплуатационных качеств проектного решения, так и для оптимизации объекта в процессе проектирования.

Внедрение методов математического моделирования сложных систем и широкое использование современной вычислительной техники стало основой для оценки качества и оптимизации конструкций.

В нормах проектирования коррозионный износ конструкций не учитывался, считалось, что долговечность обеспечивается за счет организационно-технических мероприятий, установленных в главе СНиП «Защита строительных конструкций от коррозии». Ошибочность такого подхода подтверждается выходом раздела 20 к СНиП 11-23-81, где рекомендуется выполнять проверочные расчеты с учетом коррозионного износа, а также выявлять и использовать резервы несущей способности.

Предлагаемая в настоящем параграфе методика оценки долговечности каждого элемента опоры представляет собой аппарат по выявлению резерва несущей способности на этапе проектирования и при реконструкции.

В результате проведенных исследований установлены следующие значимые факторы, определяющие долговечность элементов конструкций опор BЛ и порталов ОРУ: коррозионная стойкость стальных элементов опор (степень воздействия агрессивной среды); конструктивно-технологические параметры элементов; угол наклона продольной оси элементов относительно горизонтали; расположение элементов по высоте опоры; система защитного покрытия; качество эксплуатации (восстановление лакокрасочных покрытий).

Анализ натурных испытаний образцов позволил установить, что математической моделью коррозионного износа элементов опор ВЛ и порталов ОРУ является степенная функция. Экспериментально получены значения начальной скорости проникновения коррозии (v, мм/год) и коэффициента, учитывающего влияние продуктов коррозии на ее скорость для различных типов атмосферы в условиях умеренно влажного климата с 2 т = 3000...3600 ч/год.

Моделирование конструктивных особенностей элементов конструкций и физико-химических воздействий среды позволило получить информацию о влиянии конструктивной формы на коррозионный износ. Установлены безразмерные параметры ар которые характеризуют геометрические схемы элементов опор ВЛ и порталов.

В процессе физического моделирования получены закономерности коррозионных эффектов для различно ориентированных в пространстве поверхностей. При натурном обследовании установлено, что стержни опор ВЛ и порталов ОРУ уголкового профиля по углу наклона к горизонтали можно разделить на две группы: с углом наклона 20°. При угле наклона 20° считаем для газовоздушной среды, что стержень корродирует как вертикальный элемент. Таким образом, принимаем, что для уголка коэффициент влияния конструктивной формы a распространяется на стержни с углом наклона горизонтали 0—20°. При этом зависимость между коэффициентом влияния конструктивной формы и углом наклона условно считается линейной.

Фактор влияния высоты расположения элементов опоры оценивается коэффициентом kh. Установлены эксплуатационные зоны по высоте конструкций опор для различных типов атмосферы и получены для них коэффициенты влияния высоты расположения элементов конструкций.

Ускоренные циклические испытания систем защитных покрытий позволили установить межремонтные сроки службы, а также коэффициент их защитного действия, а3 который изменяется в пределах 0,07— 0,24. Для опор ВЛ и порталов ОРУ, которые эксплуатируются без ремонтного окрашивания, а3 принимается равным 1,0.

Анализ условий эксплуатации стальных конструкций опор линий электропередачи и порталов подстанций свидетельствует о том, что назначенные показатели долговечности могут иметь существенные отличия от фактических, определенных по данным натурного обследования. Поэтому дя оценки долговечности при проектировании целесообразно использовать показатель качества эксплуатации в агрессивных средах

(1)

где П — коррозионный износ в условиях длительной эксплуатации, мм/год; К — скорость коррозии по нормативным данным для заданного режима эксплуатации, мм/год.

Численные значения коэффициента G3 изменяются в пределах 0,8— 0,95.

Для учета неравномерности распределения коррозионных поражений по периметру сечения используется условное расчленение элемента на вертикальные и горизонтальные составляющие.

Количественная оценка срока службы каждого элемента с учетом коррозионных потерь и одновременно степени его загруженности может быть получена в рамках детерминированного расчета по методу предельных состояний. Расчет показателя долговечности производится с целью определения отказа конструктивного элемента при переходе в неработоспособное состояние. Отказом считается момент времени, когда несущая способность элемента конструкции перестает удовлетворять условию

(2)

где — расчетное усилие в элементе; Sk — предельное усилие, которое может воспринять элемент с учетом изменения геометрических характеристик и механических свойств материала в результате коррозии.

При этом принимается допущение, что усилия в элементах конструкции в процессе эксплуатации не изменяются. В реальных же статически неопределимых системах усилия при одной и той же внешней нагрузке зависят от жесткостей, определяемых геометрическими характеристиками поперечных сечений, которые изменяются вследствие коррозионного износа.

Таким образом, выше изложены основные расчетные предпосылки для определения долговечности элементов стальных опор линий электропередачи и порталов открытых распределительных устройств.

Реализация задачи количественной оценки и прогнозирования показателей долговечности осуществляется поэтапно. На первом этапе производится сбор и систематизация данных о факторах агрессивной среды, условиях эксплуатации, конструктивных параметрах объекта.

На втором этапе выполняется формализация коррозионного поведения элементов конструкций, устанавливается математическая модель коррозионного процесса и параметры защитного покрытия.

В ходе выполнения указанных этапов формируются исходные данные для расчета.

Рис. 1. Схема алгоритма определения долговечности стержней опоры ВЛ или портала ОРУ

Разработан алгоритм (рис. 1) вычисления срока службы каждого элемента опоры или портала из одиночных уголков. При заданных условиях эксплуатации, типе защитного покрытия и принятой математической модели коррозионного процесса задача решается с помощью итерационных процедур. На каждой итерации при изменении срока эксплуатации т производится вычисление остаточной несущей способности стержней

(3)

где у3 — коэффициент надежности противокоррозионной защиты.

Коэффициент надежности противокоррозионной защиты у3 является комплексной количественной характеристикой коррозионного состояния элемента и определяется в общем случае по формуле

(4)

где аК — коэффициент изменения геометрических характеристик вследствие коррозионного износа; Kh — коэффициент влияния высоты расположения элемента опоры.

Предложенный алгоритм реализован на языке Pascal. Программа позволяет вычислять срок службы каждого элемента опоры, получать результаты расчета в табличной форме, а также производить построение гистограмм распределения долговечности элементов опоры.

Ниже проиллюстрированы возможности предлагаемого подхода на примере расчета долговечности стержней типовой промежуточной опоры П330-3 (рис. 2). Опора предназначена для одноцепных ВЛ 330 кВ, сооружаемых в первом районе по гололеду при расчетном скоростном напоре ветра 500 Па. Опора рассчитана на подвеску проводов АС- 400/51 (по два провода в фазе) и троса С-70. Материал конструкции — Вст3пс5 по ГОСТ 380-71*.

Расчет долговечности элементов опоры производился для различных типов атмосферы (табл. 1).

1. Характеристики коррозионных сред

Рис 2. Промежуточная опора башенного типа ВЛ 330 кВ

Результаты расчета долговечности представлены на рис. 3 и 4 в виде гистограмм. Гистограммы отражают ранжировку элементов опоры по долговечности в соответствии со значением вычисленных показателей. В каждую группу попадают элементы, долговечность которых заключается в интервалах, обозначенных на оси абсцисс гистограммы. Количество элементов, попадающих в каждую группу, различно, что отражает особенности конструкции и обусловлено неравномерностью использования потенциальных возможностей элементов. В группу с наименьшими показателями долговечности попадают элементы, находящиеся в нижней части конструкции, а также элементы поясов ствола и траверс опоры. Действительно, эти элементы нагружены в большей степени, их прочностные свойства используются максимально. Большинство элементов конструкции опоры, как видно из гистограмм, характеризуется сроком службы 50 лет и более. Это означает, что эти элементы выполнены с запасом прочности, обеспечивающим их безотказную работу в течении 50 и более лет.

Рис. 3. Распределение количества элементов N по срокам эксплуатации Т без покрытия (допускается коррозия основного металла до отказа элементов по первому предельному состоянию) для сельской (1), городской (2), промышленной (3) и приморской (4) атмосфер.

Рис. 4. Распределение количества элементов N по срокам эксплуатации Т без покрытия (допускается коррозия основного металла 20% или до отказа элементов по первому предельному состоянию) для сельской (1), городской (2), промышленной (3), приморской (4) атмосфер.

Анализ гистограмм позволяет выявить элементы, лимитирующие долговечность конструкций и элементы, обладающие избыточной долговечностью. Вычисление долговечности для всех элементов опоры или портала дает новую информацию об эксплуатационных свойствах конструкции при проектировании, что позволяет дифференцировано назначать толщины цинковых покрытий элементов.

Предложенный метод можно использовать также при реконструкции электросетевых объектов, что позволит научно обоснованно назначать объемы ремонтно-востановительных работ, а в ряде случаев отказываться от трудоемкой ремонтной окраски конструкций.