CC BY
97
УДК 621.315.175: 624.144.24
Мезеря Андрш Юршович канд. техн. наук, доцент кафедри електроенергетики Занихайло Свген Олександрович асистент кафедри електроенергетики, OneginEA@mail.ru Украшська iнженерно-педагогiчна академiя, м. Харкiв, Украша. Вул. Унiверситетська 16, м. Харшв, Украша, 61003
ЗАЛЕЖН1СТЬ Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ОЖЕЛЕД1 НА ПРОВОДАХ I ТРОСАХ ПОВ1ТРЯНИХ Л1Н1Й ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧ1 В1Д ВПЛИВУ ЗОВН1ШН1Х ФАКТОР1В
У cmammi розглянуто залежнкть фiзико-механiчних властивостей ожеледi на проводах i тросах повтряних лiнiях електропередачi eid впливу зовшшшх факторiв. В статтi була побудована структурно-функцiональна схема, виявлено функцiональну залежтсть та побудовано графжи залежностей фгзико-механiчних властивостей ожеледi на проводах i тросах повiтряних лiнях електропередачi вiд впливу зовтштх факторiв.
Ключевi слова: фiзико-механiчнi властивосп, ожеледь, проввд, повиряш лшп електропередачг
Мезеря Андрей Юрьевич канд. техн. наук, доцент кафедры электроэнергетики Заныхайло Евгений Александрович ассистент кафедры электроэнергетики, OneginEA@mail.ru Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков , Украина. Ул. Университетская 16, г. Харьков, Украина, 61003
ЗАВИСИМОСТЬ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙТСВ ГОЛОЛЁДА НА ПРОВОДАХ И ТРОСАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
Рассмотрена зависимость физико-механических свойств гололеда на проводах и тросах воздушных линий электропередачи от воздействия внешних факторов. В статье была построена структурно-функциональная схема, выявлено функциональную зависимость и построены графики зависимостей физико-механических свойств гололеда на проводах и тросах воздушных линях электропередачи от воздействия внешних факторов.
Ключевые слова: физико-механические свойства, гололед, провод, воздушные линии электропередачи.
Mezersa Andrii Jurevich, Ph.D., associate professor of department of electroenergy
Zanykhailo Yevgen Aleksandrovich, assistant lecturer of department of electroenergy, OneginEA@mail.ru
Ukrainian engineer-pedagogical academy, Kharkov, Ukraine. Str. Universitetskaya 16, Kharkov, Ukraine, 61003
DEPENDENCE OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES GLAZE ON WIRES AND CABLES OVERHEAD POWER LINES FROM THE INFLUENCE OF EXTERNAL FACTORS
In the article the dependence of physical and mechanical properties of ice on wires and cables overhead power lines from external factors. The article was based structural diagram is found functional dependence and Schedules of dependence of physical and mechanical properties of ice on wires and cables overhead power lines from external factors.
Keywords: physical and mechanical properties, glaze, wires, overhead transmission lines.
Вступ
Лщ належить до числа давно вщомих матер1ал1в, але, тим не менш, властивосп його вивчеш далеко не достатньо. Це пояснюсться великою р1зномаштшстю структури, склад1в, ф1зико-мехашчних сташв. 1стотну роль у поведшщ льоду грають i тимчасов1 процеси [1].
У звичайних умовах лщ юнуе при температурах, дуже близьких до точки фазового переходу. Це значною м1рою визначае його ф1зико-мехашчш властивосп i поведшку тд навантаженням. У р1зних умовах лщ проявляе пружшсть, нелшшну в'язюсть, крихке руйнування, руйнування при повзучосп i т. д. Пов'язано це з тим, що процеси деформування льоду часто супроводжуються фазовими переходами [1].
Вщомо, що нав1ть найбшьш чист форми прюноводного льоду мютять дом1шки у вигляд1 твердих частинок, розчинних речовин i газ1в. Щ дом1шки в значнш м1р1 впливають на процес утворення зародив i рух дислокацш, визначаючи мщшсть оболонки ожеледь
Кристал1чна будова льоду залежить вщ багатьох причин, в тому чист вщ юторп льодоутворення.
При ощнщ мехашчних властивостей структура матер1алу не так важлива, важлив1ше деяк1 макроскотчш властивосп - мщшсть, в'язюсть, модуль пружносп i т. д. [1].
Виходячи з вище викладеного дослщження залежност фiзико-механiчних властивостей оболонки ожеледi на проводах i тросах пов^яних лiнiй електропередачi вiд впливу зовшшшх та внутрiшнiх факторiв е актуальним та потребуе детального аналiзу.
Основний матер1ал
Для оцiнки фiзико-механiчних властивостей вщкладень ожеледi на проводах i тросах повiтряних лiнiях електропередачi (ПЛЕП) ми використаемо наступш параметри: щшьшсть ожеледi, модуль пружностi ожеледi, границя мiцностi ожеледi, питома маса вщкладень ожелед^ товщина вiдкладень ожеледi. Структурно-функцюнальна залежнiсть фiзико-механiчних властивостей вщкладень ожеледi на проводах i тросах ПЛЕП вщ впливу зовнiшнiх факторiв показана на рис.1.
Ожеледь на проводах ПЛ
Швидшсть виру, иетт- м/с ^ Щшьшсть ожелед1 , рож, кг/м3 \
р Тривалють процесу утворення ожелед1, t, хв N
У Модуль пружносп, Е, Н/м2 N
Температура навколишнього середовища, Т ,С ч
У Границя мщносп ожелед1 на розрив, ар, Н/м2
У Товщина пл1вки води при утворенш ожелед1, Ьь мм \
-7 Питома маса вщкладень ожеледи тож, кг/м ч
V Напружешсть змшного електричного поля навколо проводу Ееп, В/м •>
у Товщина вщкладень ожелед1, sож, мм \
Напружешсть змшного магнггного поля навколо проводу Н, А/м \
V Конструктивш особливосл ПЛ, КПЛ \
У
Рис.1. Модель впливу зовшшшх факторiв на фiзико-механiчнi властивосп ожеледi, яка утворюеться на проводах i тросах ПЛЕП
Функцiональну залежшсть фiзико-механiчних властивостей вiдкладень ожеледi вщ впливу зовнiшнiх факторiв представимо наступним чином:
рож = /(Т, Ь,Ее.п,Н), Е=/(Т,Ее.п.,Н,), °р=У(Т,Ее.п.,Н,),
тож = /(uвiтру,t, T, hb,Ее.п.,Н, КПл),
$ож У(uвimру,t, T, hb,Ее.n., Н, Кпл),
де: рож - щшьшсть ожелед^ яка утворилась на проводi ПЛ , кг/м3; Е - модуль пружносп ожелед^ яка утворилась на проводi ПЛ , Н/м2 ; ар - границя мщносп ожеледi, яка утворилась на проводi ПЛ, на розрив, Н/м2 ; тож - питома маса вщкладень ожеледi на проводах ПЛ, кг/м
- товщина вщкладень ожеледi на проводах ПЛ, мм ;
-'вгтру
швидкють вiтру, якии дie при утворенш ожеледi,. м/с ;
^ - тривалiсть процесу утворення ожеледи с;
Т- температура навколишнього середовища при утвореннi ожеледi ,С;
къ - товщина плiвки води при утворенш ожелед^ мм ;
Ее.п - напруженiсть змiнного електричного поля навколо проводу, В/м;
Н - напружешсть змiнного магнiтного поля навколо проводу, А/м;
КПЛ - конструктивы особливостi ПЛ.
Оцiнка мщносп оболонки ожеледi в значнiИ мiрi залежить вiд об'ективно!' оцiнки Иого фiзико-механiчних властивостеИ.
Проведенi дослiдження дозволяють вибрати чисельнi значення параметрiв, що характеризують властивостi мiцностi льоду: модуль пружносп (модуль Юнга), границя мщносп при стисканнi, розтягуваннi та згинанш, коефiцieнт Пуассона i щiльнiсть льоду.
Щшьшсть льоду в значнiИ мiрi визначаеться структурою льоду та дieю на нього зовнiшнiх факторiв. За даними дослщжень [1, 2, 3] щшьшсть прюноводного льоду коливаеться в межах рож = 700-930 кг/м3.
З феноменолопчно!' теорп утворення шарувато!' структури льоду, розвиненою в [4], випливае, що шарувата структура льоду визначаеться параметром къ - рiвноважноi товщини плiвки. Вимiрювання щiльностi крижаних нашарувань рг на перешкодах, як обтiкае потiк водного аерозолю, при рiзних значеннях къ добре апроксимуеться формулою:
Рг = Ро
0,32 к,
у у
Г ( ■ 1 - ехр -
V V
деро - щiльнiсть прозоро!' однорщно!' ожеледи ро = 930 кг/м3.
При малих къ утворюеться прозора однорщна структура льоду , при великих къ - матова неоднорiдна структура льоду.
При температурах вщ -3 °С i нижче, i при короткочасних дiях лiд поводиться як цшком пружне тiло, що тдкоряеться закону Гука. Пластична деформацiя при цьому не встигае розвинутися.
При визначенш границ мiцностi льоду використовують статичний i динамiчниИ способи. СтатичниИ споаб дозволяе отримати при статичному навантаженш зразкiв так званиИ модуль деформацп, якиИ завжди менше динамiчного. Границя мщносп сильно залежить вщ режиму навантаження. При динамiчному навантаженнi пружш властивостi льоду зменшуються, тобто модуль пружносп зростае [2, 3, 5].
Значення гранищ мщносп льоду на стискання та розтягнення в залежносп вщ абсолютно!' температури повiтря за [2, 3, 5] наведено в табл. 1 i табл. 2 та на рис. 2 i рис. 3.
Мщшсть на згинання ютотно залежить вщ швидкостi деформацп. Мщшсть льоду при розтягненнi i стисканнi рiзна, тому при згинаннi характер розподiлу напружень по товщиш пластини часто стае нелiнiИним [2, 3, 5].
Таблиця 1
Значення пружносп льоду на стискання в залежносп вщ абсолютно'!' температури пов^ря
Т, 0С 0 - -5 -5 --10 10 --15 -15 - - 20
Ост, МПа 1,6 - 3,0 3,0 - 3,6 3,6 - 3,9 3,9 - 4,0
аблиця 2
Значення пружносп льоду на розтягнення в залежносп вщ абсолютно'! температури пов^ря
Т, 0С 0 --10 -10 - -20 -20 - -35
ор, МПа 0,9 -1,2 1,2 -1,5 1,5 - 1,8
ож
У робоп [2] вщзначаеться залежшсть Е вiд температури навколишнього пов^я:
Е(Т) = (90,5 - 0,21Т- 0,0017Т2)*103 МПа Також за даними [1-3,5] визначено залежшсть динамiчного модуля пружностi вщ щiльностi льоду (табл. 3).
Таблиця 3
Значення динамiчного модуля пружносп вiд щiльностi льоду
р,103 кг/м3 0,7 0,8 0,9 0,91 9,3
Ед, 103 МПа 4 5 7,5 9 9,8
Коефiцieнт Пуассона / характеризуе вiдношення вщносно! поперечно! до вщносно! поздовжньо! деформацп i впливае на величину цилшдрично! жорсткосп крижано! пластини. Коефiцieнт Пуассона змшюеться в межах вузького дiапазону. Так, результати / [2, 3] для льоду при рiзнiй температурi представлен в табл. 4
Таблиця 4
Коефщент Пуассона для прiсного льоду
Т,°С -1 -10 -20 -30 -40 -50
0,368 0,342 0,331 0,324 0,318 0,315
т, (с
■10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17
МПа
т, Сс
-10 -12 -14 -16
20 -22 -24 -26
Рис. 2. Графш залежносп пружносп ожеледi на Рис. 3. Графш залежносп пружностi ожеледi стискання вiд абсолютно! температури повiтря на розтягнення вщ абсолютно! температури
пов1тря
3.5- Ел.КЯМПа
7.57-
5.55-
21 5-
Z
7
2
%
Г)]> 1ГГМ-
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.В5 0.7 0.75 0.3 0.05 0.0 0.05 1
Рис. 4. Графш залежносп динамiчного модуля пружносп вщ щшьносп льоду:
-------графш, побудований за
експериментальними даними дослщжень; - - - - графш, отриманий завдяки регрес аналiзу експериментальних даних.
.43 4В 47 .46 45 .44 .43 .42 .41 0.4 .33 .38 .37 .36 .35 .34 .33 .32 .31 33 v-
ГС
■2.5 -5 -7.5 -10 -12.5 -15 -17.5 -20 -22.5 -25 -27.5
■42.5 -45 -47.5 -50
Рис. 5. Графк залежносп коефщента Пуассона вщ абсолютно! температури пов^ря
Теоретичний розрахунок мщносп на розрив ар (напруз^ при якому настае розрив) для реальних тш представляе велию труднощi. Значення ар при одночасному розривi всiх мiжатомних зв'язюв на поверхнi розриву оцiнюеться в 0,1Е. Зазвичай експериментальш значення мщносп на кшька порядкiв менше теоретичних. Причина низько! мiцностi звичайних тш - нерiвномiрний розподiл внутрiшнiх напружень [2,3,5].
Щодо конструктивних особливостей ПЛЕП, то на фiзико-механiчнi властивостi ОПВ впливають дiаметр проводу, матерiал проводу, висота пщвюу проводу, наявнiсть засобiв захисту вiд ожеледi.
Вплив дiаметра проводу повiтряних лiнiй електропередачi (ПЛЕП) на масу ожеледi визначаеться за виразом [6]:
К = Ба / В5
де Кй - коефщент утворення ожеледi;
Ба - товщина стшки ожеледi на проводi дiаметром й. мм;
В5 - товщина спнки ожеледi на проводi дiаметром й = 5 мм ( приймач вщкладень ожеледi на метеостанщях).
Залежнiсть товщини стiнки ожеледi вщ дiаметра проводу ПЛЕП представлено на рис. 6. 1з збiльшенням дiаметра проводу вiд 5 до 50 мм маса вщкладення збiльшуеться середньому в 2,5 рази (рис. 7).
Маса ожеледi залежить вiд швидкосп повiтряного потоку та дiаметру проводу (рис. 8). Так, при швидкосп 5 м/с маса осаду на проводi дiаметром 5 мм менше, шж на проводi дiаметром 30 мм , в 2,2 рази. При швидкосп 15 м/с вщмшшсть у мас вщкладень на цих же проводах становить 3,9 рази. У зош швидкостей повггряного потоку 20 м/с i бiльше спостер^аеться зменшення маси ожеледi. Це пояснюеться iнтенсивним випаровуванням ожеледицi. При пщвищенш температури вiд -5 оС до -1 оС випаровування вiдкладень ожеледi збiльшуеться до 40 % , а при температурi вiд -5 оС до -10 оС випаровування маси вщкладень ожеледi становить менше 10 % [6].
Дiя електричного та магштного поля проводу в даний час не враховуеться при визначенш навантажень вщ вiдкладень ожеледi на проводи ПЛЕП . В [6,7] проведено практичш спостереження за вщкладень ожеледi на проводах ПЛЕП, що знаходяться пщ напругою (рис. 9). Автор ощнюе збiльшення маси ожеледi на проводах пiд впливом електричного поля в 30 %, а також збшьшення щшьносп ожеледь Причиною цього е тяжшня крапш до проводу, що зумовлено наведеним зарядом, який утворюе диполь . Порiвнюючи електричну силу з силою тяжшня випливае висновок , що електричне поле е додатковим чинником, що впливае на збшьшення маси та щшьносп ожеледищ.
1ншим чинником, що обумовлюе тяжшня крапш , е п поляризащя в електричному полi проводу ПЛЕП. Сила взаемодп визначаеться рiвнянням [5] :
((е-1р
Ре = 2■ж-е0 • г3
(е + 2 )
gra.dE
де г - радiус краплi, м; Е - напружешсть поля в данш точщ, В/м; ео - вiдносна дiелектрична постiйна, Ф/м; е - дiелектрична проникнiсть краплi, Ф/м.
При змшнш напрузi диполь змiнюе полярнiсть у вщповщносп з напрямком поля, а сила залишаеться спрямовано! завжди в одну сторону, притягаючи краплю до проводу.
Висота пщвюу проводу ПЛЕП завжди бшьше висоти пiдвiсу проводу на метеостанщях, де Ио = 2 м. С зростанням висоти пщвюу проводiв маса ожеледi зростае. Тому при розрахунку дшсно'! спнки вщкладень ожеледi необхiдно враховувати поправочний коефщент Кц, який залежить вщ висоти пiдвiсу проводу (рис. 10) [6].
Кл
мм
10.5 12 13.5 15 16.5
1Э.5 21 22.5 24 25.5 27
Ка 1
2
а. мм
125 15 17.5
22.5 25 27 5
32 5 35 37.5
42 5 45 47 5 50
Рис. 6. Графш залежносп товщини стшки Рис. 7. Графш залежносп маси вщкладень ожеледi вщ дiаметру проводу ПЛЕП ожеледi (1) та паморозi (2) вiд дiаметру
проводу ПЛЕП
к,
е„1 ИРВ/м
19.2 20.4 21.В 22.8 24
10.5 12 13.5 15 16.5
19.5 21 22.5 24 25.5 27 26.5
Рис. 8. Графш залежносп маси вщкладень Рис. 9. Усереднений графш залежносп
ожеледi вщ дiаметру проводу ПЛЕП та впливу напруженосп електричного поля
швидкосп вiтру: 1 - ивтру = 5 м/с; 2- ивтру = 10 змiнного струму на масу вщкладень ожеледi
м/с; 3 - ьвШт, = 15 м/с; 4 - пвшт, = 20 м/с.
г.КНнЙ!
210 240 270 300 330 360 330 420 450
510 540 570
Рис. 10. Графш змши маси вщкладень ожелед] та паморозi на проводах i тросах ПЛЕП при рiзних висотах пiдвiсу: 1 - Ъ = 8 м; 2 - Ъ = 16 м; 3 - Ъ = 24,5 м;
Проведет дослщження вказують на те, що ожеледь на проводах i тросах ПЛЕП мае рiзнi характеристики пщ дiею зовшшшх факторiв i це потрiбно враховувати при розрахунку навантаження на ПЛЕП.
Виявлеш функцiональнi залежностi фiзико-механiчних властивостей вщкладень ожеледi на ПЛЕП вщ зовнiшнiх факторiв показують, що цей напрям на даний перюд часу недостатньо вивчений в Укра'1'ш та Свт та потребуе подальших теоретичних та експериментальних дослщжень.
Висновки
1. Складена структурно-функщональна схема, яка наглядно шюструе вплив зовнiшнiх факторiв на фiзико-механiчнi властивостi вiдкладень ожеледi на ПЛЕП.
2. Встановлено функцюнальна залежшсть фiзико-механiчних властивостей вiдкладень ожеледi вiд зовшшшх факторiв
3. Побудованi залежностi фiзико-механiчних властивостей вiдкладень ожеледi на ПЛЕП вщ зовнiшнiх факторiв.
Перелiк лтратури:
1. Войтковский К. Ф. Механические свойства льда / К.Ф. Войтковский - М.: Изд-во АН СССР, 1960. -
190 с.
2. Лавров В. В. Деформация и прочность льда / В.В. Лавров и др. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 206 с.
3. Смирнов В. Н. Некоторые вопросы натурального исследования деформаций и напряжений в ледяном покрове: Труды ААНИИ. - Л.: - Гидрометеоиздат, 1976. - 140 с.
4. Закинян Р. Г. К теории образования слоистой структуры льда на поверхности пластины, помещенной в поток переохлажденного водного аэрозоля/ Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74, № 9. - С. 9-14.
5. Берденников В. П. Изучение модуля упругости льда/ В. П. Берденников и др. --М.: -Машиностроение. - 1948. - 123 с.
6. Николаев Н. Я. Исследование и разработка способа снижения гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи сельской электрификации : автореф. дис. ... на соискание науч. степени канд. техн. наук : спец. 05.20.02 «Электрификация сельскохозяйственного производства» / Н. Я. Николаев -Челябинск, 1999. - 24 с.
7. Бургсдорф В.В. Сооружение и эксплуатация линий электропередачи с сильно гололедных районах/ В.В. Бургсдорф. - М.: Госэнергоиздат, 1947. - 196 с.
References:
1. Woitkovskii K..F. The mechanical properties of ice [Mehanicheskie svoistva lda]. M.: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1960. - 190 p.
2. Lavrov V. V. Deformation and strength of ice [Deformatsiia i prochnost lda]. L .: Gidrometeoizdat, 1969. -
206 p.
3. Smirnov V. N. Some research questions of natural strains and stresses in the ice cover: Proceedings of the AARI [Nekotorye voprosy naturalnogo issledovaniia deformatsii i napriazhenii v ledianom pokrove: Trudy AANII]. L.: Gidrometeoizdat, 1976. - 140 p.
4. Zakinian R. G. On the theory of the formation of the layered structure of ice on the surface of the plate, placed in the stream of supercooled water aerosol [K teorii obrazovaniia sloistoy struktury lda na poverhnosti plastiny, pomeshennoi v potok pereohlazhdennogo vodnogo aerozolia] / Technical Physics. - 2004. - V. 74, № 9. - P. 9-14.
5. Berdennikov V. P. The study of the modulus of elasticity of ice [Izuchenie modulia uprugosti lda]. M.: Engineering, 1948. - 123 p.
6. Nikolaev N. Y. Exploration and creative reduction formation of ice preferred method for wire lines air power countryside electrification, [Issledovanie i razrabotka sposoba snizheniia gololedoobrazovaniia na provodah vozdushnyh linii elektroperedachi selskoy electroficatsii]: Author thesis competition the Ph.D. sciences specials 05.20.02 " Electrification countryside production ", Chelyabinsk, - 1999. - 24 p.
7. Burgsdorf V.V. Construction and operation of transmission lines with strong glaze areas [Sooruzhenie i ekspluatatsiia linii electroperedachi v silno gololednyh raionah]. M.: Gosenergoizdat, 1947. - 196 p.
Поступила в редакцию 20.12 2014 г.
