CC BY
14Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 4 (63). С. 86-93. The Siberian Transport University Bulletin. 2022. No. 4 (63). Р. 86-93.
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Научная статья
УДК 624.974:621.311.1
doi 10.52170/1815-9265_2022_63_86
Анализ расчета стальных конструкций ЛЭП по современным нормативно-техническим документам
Алексей Анатольевич Новоселов1, Наталья Сергеевна Пичкурова2^
12 Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск, Россия
1 alex19732009@mail.ru
2 nataliapich@mail.ruH
Аннотация. Опыт эксплуатации линий электропередачи показал, что, помимо обрыва проводов и тросов, возможно разрушение отдельных элементов опор в результате динамических воздействий, которые влияют на сооружение в течение всего срока эксплуатации. Нормативно-технические документы по расчету подобных конструкций претерпели ряд изменений в сторону увеличения нагрузок, расчетных коэффициентов и пр. Однако до сих пор нередки случаи строительства ЛЭП по типовым сериям, разработанным в середине XX в., не соответствующим требованиям действующих в настоящее время норм.
В статье проведен анализ изменений в нормативно-технических документах в расчетах гололеда, ветра и самих элементов ЛЭП. Так, вес гололеда на проводах на 1 пог. м увеличился в 3 раза, толщина стенки гололеда на высоте 10 м - в 2 раза, а нормативное давление ветра - в 1,5 раза по сравнению с теми требованиями, которые действовали в середине XX в.
Проведен анализ напряженного состояния трех разных опор башенного типа, смоделированных в ПК SCAD по типовым сериям, но рассчитанных по действующим нормативным документам. Опоры различаются по высоте, типу (промежуточные и анкерно-угловые), ветровому и весовому пролету, ветровому и гололедному районам, а также по видам сечений конструктивных элементов. Расчет показал, что у большинства конструктивных элементов опор не обеспечена предельная гибкость элементов. Таким образом, для соответствия сооружений требованиям надежности необходимо провести замену сечений элементов, что в свою очередь приведет к увеличению общей массы опоры.
Результаты проведенных расчетов планируется использовать для дальнейших исследований в области повышения надежности, долговечности и экономичности стальных опор ЛЭП.
Ключевые слова: линии электропередачи, конструктивные решения, надежность, оценка напряженно-деформированного состояния
Для цитирования: Новоселов А. А., Пичкурова Н. С. Анализ расчета стальных конструкций ЛЭП по современным нормативно-техническим документам // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 4 (63). С. 86-93. DOI 10.52170/1815-9265_2022_63_86.
BUILDING AND ARCHITECTURE
Original article
Computational analysis of power transmission line steel structures according to modern regulatory and technical documents
Alexey A. Novoselov1, Natalia S. Pichkurova2H
12 Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia
1 alex19732009@mail.ru
2 nataliapich@mail.ruH
Abstract. Experience in the operation of power lines has shown that in addition to the breakage of wires and cables, the destruction of individual elements of the supports is possible as a result of those dynamic effects that act on the structure during the entire period of operation. Normative and technical documents for the calculation of such structures have undergone a number of changes in the direction of increasing loads, design coefficients, etc. However, it is still not uncommon for the construction of power transmission lines according to standard series developed in the middle of the 20th century, and not meeting the requirements of the current standards.
The article analyzes the changes that have occurred in the normative and technical documents, in the calculation of ice, wind and the elements of power lines themselves. Thus, the weight of ice on wires increased by
© Новоселов А. А., Пичкурова Н. С., 2022
3 times per linear meter, the thickness of the ice wall at a height of 10 m increased by 2 times, and the standard wind pressure by 1.5 times compared to the requirements that were in force in the middle of the 20th century.
The analysis of the stress state of three different tower-type supports, modeled in the SCAD software according to standard series, but calculated according to the current regulatory documents, was carried out. The supports differ from each other in height, type (intermediate and anchor-angle), wind and weight span, wind and ice areas, as well as in the types of sections of structural elements. The calculation showed that the majority of the structural elements of the supports do not provide the ultimate flexibility of the elements. Thus, in order to meet the reliability requirements of structures, it is necessary to replace the sections of the elements, which in turn leads to an increase in the total mass of the transmission line.
The results of the calculations performed are planned to be used for further research in the field of improving the reliability, durability and efficiency of steel pylons for power transmission lines.
Keywords: power lines, design solutions, reliability, assessment of the stress-strain state For citation: Novoselov A. A., Pichkurova N. S. Computational analysis of power transmission line steel structures according to modern regulatory and technical documents. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(63):86-93. (In Russ.). DOI 10.52170/1815-9265_2022_63_86.
Введение
Воздушные линии электропередачи (ЛЭП) -система энергетического оборудования, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии по проводам, находящимся на открытом пространстве и прикрепленным к опорам с помощью специальных устройств. Элементы ЛЭП находятся в сложных условиях: подвержены атмосферным осадкам (в частности, гололеду), ветровым нагрузкам различного направления и амплитуды, коррозии материала, а также ряду воздействий, отличных от нормального режима эксплуатации.
Наибольший объем линий электропередачи был введен в 60-80-х гг. XX в. В настоящее время нормативные рекомендуемые сроки их эксплуатации либо закончились, либо скоро закончатся. Это касается и стальных опор ЛЭП с нормативным сроком эксплуатации 50 лет. В ближайшее время возникнет достаточно серьезная проблема по обеспечению надежности элементов ЛЭП. В работе [1] указано, что по тяжести последствий отказа на первом месте стоят конструкции опор: отказы опор составляют примерно 9-13 %.
На снижение несущей способности существующих опор в первую очередь влияет старение материалов, а также накопленные в процессе эксплуатации различные дефекты. Кроме того, существенное влияние оказывает недоучет нормативными документами прошлых лет действующих на момент строительства нагрузок. Эти данные подтверждаются исследованиями, представленными в работах [2-5].
На рис. 1 показано распределение причин повреждений элементов ЛЭП по данным ра-
боты [6]. Так, самый большой процент повреждений связан с нерасчетными режимами сети и дефектами при эксплуатации.
Материалы и методы исследования
Существенно на несущую способность влияют ветровые и гололедные нагрузки [4, 7, 8]. По данным работы [9], 33,7 % отказов металлических опор связаны с ветровыми нагрузками; 13,2 % - с ветровыми и гололедными. Для железобетонных опор ситуация несколько иная: 21,7 % отказов связаны с ветровыми нагрузками и 24,8 % - с ветровыми и гололедными. Однако следует уточнить, что в данной статье исследования проводились только для опор в металлическом исполнении.
В работе [10] при анализе причин произошедшей аварии было выявлено, что вес гололеда на проводах на 1 пог. м в существующих нормативных документах (Правилах устройства электроустановок ПУЭ-7 [11]) увеличился в 3 раза по сравнению с нормативными значениями на момент проектирования, приведенными в Правилах устройства электроустановок ПУЭ-3 [12]: с 2,04 до 6,03 кг/м.
Изменения коснулись и нормативных значений толщины стенки гололеда на высоте 10 м: значения, приведенные в табл. П-5-2 ПУЭ-3 [12] и в табл. 2.5.3 ПУЭ-7 [11], различаются практически в 2 раза.
Для ветровой нагрузки величина нормативного давления ветра увеличилась в 1,5 раза (табл. П-5-1 [12] и 2.5.1 [11]). При этом следует учитывать, что ветровая нагрузка на провода, покрытые льдом, будет также существенно выше.
При анализе нормативных документов по расчету стальных конструкций - СНиП П-В. 3-72
1 2 з
Рис. 1. Основные причины повреждения элементов ЛЭП: 1 - потеря несущей способности, износ, коррозия; 2 - гололедно-ветровые нагрузки;
3 - посторонние воздействия; 4 - атмосферные перенапряжения; 5 - хищение элементов опор (проводов); 6 - дефекты при строительстве и монтаже; 7 - ошибки проектировщиков, заводские дефекты; 8 - стихийные явления; 9 - дефекты при эксплуатации; 10 - нерасчетные режимы; 11 - птицы, загрязнения изоляции
[13] и СП 16.13330.2017 [14] - можно отметить, что серьезных изменений не произошло. Расчет прочности и устойчивости центрально сжатых и центрально растянутых элементов проводится по идентичным формулам.
Рассмотрим более внимательно расчет центрально сжатых элементов на устойчивость. В действующей редакции СП 16.13330.2017
[14] расчет необходимо выполнять согласно п. 7.1.3 по следующей формуле:
N
—< 1, (1)
фАЯуус
где N - внешние усилия; ф - коэффициент устойчивости при центральном сжатии; А - площадь сечения брутто; Ry - расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести; у с - коэффициент условий работы.
Значение ф при X > 0,6 следует определять по формуле
ф = 0,5(5- /б2 - 39,48 Х2)Д2, (2)
где X = А^^у/Е - условная гибкость стержня. Значение коэффициента 5 определяется как б = 9,87(1 - а + р X) + X2, (3)
где а и р - коэффициенты, которые принимают по табл. 7 [14] в зависимости от типов сечений.
Согласно СНиП И-В.3-72 [13], устойчивость центрально сжатых элементов определялась по следующей формуле: N
-£Т" < Я, (4)
фгт
где ф - коэффициент продольного изгиба, определяемый по табл. 50 прил. I [13]; F - площадь сечения элемента брутто; т - коэффициент условий работы; R - сопротивление материала.
На рис. 2 приведен график сравнения коэффициентов продольного изгиба ф, определенных по двум нормативным документам, для стали с расчетным сопротивлением 210 МПа.
Из рис. 2 видно, что при гибкости элемента более 130 значение коэффициента в обоих нормативных документах практически не различается (разница составляет не более 5 %). Как правило, гибкость элементов опор обычно находится в пределах 100-220, следовательно, итоговые напряжения мало зависят от изменений требований нормативных документов.
Значения коэффициентов условий работы у с или т за прошедшее время не изменились. Так, например, для сжатых элементов решетки пространственных решетчатых конструкций из одиночных уголков, прикрепляемых одной полкой непосредственно к поясам
Рис. 2. Сравнение коэффициентов продольного изгиба ф в зависимости от гибкости элемента
одним болтом или через фасонку, независимо от вида соединения значение равно 0,75.
Результаты исследования
Далее представлены результаты расчета опор ЛЭП разного типа в металлическом исполнении по типовым проектам 50-70 гг. XX в.
Первая исследуемая опора спроектирована по типовому проекту Ленинградского отделения «Теплоэлектропроекта» (1961 г.) и Новосибирского отделения «Энергосетьпро-екта» (1971 г.).
Конструктивная схема опоры - четырехгранная, башенного типа. Грани башни представляют собой плоские фермы, объединенные в единую пространственную систему горизонтальными диафрагмами. Фермы состоят из поясов и решетки. Схема решетки - ромбическая. Высота опоры - 150 м (повышенный уровень ответственности), расстояние между гранями в уровне опирания на фундаменты (отм. 0,000) -25,0 м. Опирание поясов на фундаменты - жесткое. Неизменяемость сечения контура опоры обеспечена горизонтальными диафрагмами. Все элементы опоры (пояса, решетка, диафрагмы) выполнены из труб круглого сечения.
Размеры поперечного сечения элементов приняты следующими:
- пояса: 426x18, 377x14, 325x14, 299x11, 273x7, 219x6, 159x6;
- решетка: 351x9, 299x8, 273x7, 219x6, 180x6, 159x6, 133x6, 108x6;
- диафрагмы: 180x6, 159x6, 133x6.
Траверсы выполнены из пространственных ферм с раскосной решеткой: пояса -133x6; раскосы - 108x6, 68x5.
Марка стали - С345. Протяженность пролета до следующей опоры составляет 1,985 км; перепад высот - 45 м. Для расчета приняты следующие данные: III ветровой район и III гололедный район.
Результаты расчета в ПК SCAD (рис. 3) показали, что в 31 элементе коэффициент использования сечения Kmax - отношение фактически вычисленного значения (несущей способности, предельной гибкости, местной устойчивости и т. д.) к предельно допустимому значению - больше единицы.
Анализ элементов, у которых коэффициент Kmax оказался более единицы, показал, что у восьми элементов не обеспечена прочность или устойчивость, у остальных элементов гибкость превышает предельные значения. Наиболее опасные зоны указаны на рис. 3 кругами.
Вторая исследуемая опора выполнена по типовой серии 3.407-155 «Унифицированные стальные конструкции промежуточных и ан-керно-угловых стальных опор ВЛ 500 кВ для нормальных условий» по типу Р2+10 (промежуточная опора) общей высотой 43 м.
Опора является свободностоящей, башенной конструкции. Материал конструкций -сталь С255. Пояса опоры имеют переменное сечение из равнополочного уголка, увеличи-
вающееся сверху вниз по мере роста изгибающего момента (от L40x4 до L200x 12).
Геометрическая неизменяемость опоры обеспечена раскосной крестовой решеткой ствола опоры и траверс, для обеспечения жесткости пространственной конструкции и равномерной работы граней опоры при действии крутящих моментов в опорах установлены диафрагмы. Общий вид опоры показан на рис. 4. Протяженность пролета до следующей опоры составляет 318,75 м.
Рис. 3. Расчетная схема опоры с указанием критических факторов Kmяx
Для расчета приняты следующие данные: III ветровой район и II гололедный район.
По результатам расчета несущая способность части элементов типовой опоры оказалась недостаточной. Были внесены изменения в конструкцию опоры и произведена замена 597 элементов. Общая масса элементов увеличилась на 12,3 % по сравнению с типовой схемой. При этом следует отметить, что у 105 элементов максимальное значение коэффициента ^ах связано с обеспечением предельной гибкости элемента.
Третья исследуемая опора выполнена по типовой серии 3.407-100 «Унифицированные стальные нормальные опоры ВЛ 220 и 330» по типу У220-2т+14 (анкерно-угловая опора) общей высотой 45,2 м. Общий вид опоры показан на рис. 5.
Опора является свободностоящей, башенной конструкции, с двумя подставками 5 и 9 м; выполнена из одиночных равнополочных уголков. Пояса опоры имеют переменное сечение, увеличивающееся сверху вниз по мере роста изгибающего момента (от L110x8 до L200x16).
Геометрическая неизменяемость опоры обеспечена раскосной крестовой решеткой ствола опоры, для обеспечения жесткости пространственной конструкции и равномерной работы граней опоры при действии крутящих моментов в опорах установлены диафрагмы жесткости. Материал конструкций - сталь С345. Протяженность пролета до следующей опоры составляет 108 м.
Для расчета приняты следующие данные: II ветровой район и III гололедный район.
По результатам расчета несущая способность части элементов типовой опоры оказалась недостаточной - была произведена замена 141 элемента, в том числе сечений поясов тросостойки. Общая масса элементов увеличилась на 14 % по сравнению с типовой схемой. При этом следует отметить, что у 80 элементов максимальное значение коэффициента ^ах связано с обеспечением предельной гибкости элемента.
Рис. 4. Расчетная схема опоры типа Р2+10
Рис. 5. Расчетная схема опоры типа У220-2т+14
Выводы
По результатам проведенных расчетов и анализа нормативно-технической документации сделаны следующие выводы:
1. Типовые серии опор СССР не удовлетворяют требованиям надежности современных нормативно-технических документов, следовательно, использовать их для проектирования новых опор не рекомендуется.
2. Большинство элементов исследуемых опор показали неудовлетворительный коэф-
фициент Ктах, связанный с обеспечением предельной гибкости элемента.
3. Применяемые для опор сечения элементов из одиночных уголков имеют много недостатков, в частности для сжатых элементов решетки коэффициент условий работы ус в большинстве случаев равен 0,75, т. е. сечение элемента в полном объеме не используется. Таким образом, следует рассмотреть работу других видов сечений элементов ЛЭП для их надежной работы и обеспечения требований долговечности сооружения в целом.
Список источников
1. Шевченко Н. Ю. Повышение эффективности реконструируемых воздушных линий электропередач, подверженных экстремальным метеовоздействиям : специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов, 2011. 163 с.
2. Назим Я. В., Лещенко А. А., Костин В. В. Сравнительный анализ подходов к определению климатических нагрузок на ВЛ на примере Крымской ЭС // Металлические конструкции. 2010. Т. 16, № 1. С. 61-74.
3. Назим Я. В., Лещенко А. А., Костин В. В. Внедрение новых разработок нормативной документации в сфере климатического обеспечения электросетей в практические расчеты // Вютник Донбасько! нацю-нально! академи будiвництва i архтгектури. 2009. Т. 1. С. 22-25.
4. Ветровые и гололедные воздействия на воздушные линии электропередачи / Е. В. Горохов, М. И. Казакевич, С. В. Турбин, Я. В. Назим ; под ред. Е. В. Горохова. Донецк, 2005. 348 с.
5. Прогнозирование и предупреждение аварий на воздушных линиях электропередачи при действии экстремальных гололедно-ветровых нагрузок / Е. В. Горохов, Я. В. Назим, В. Н. Васылев, А. А. Лещенко // Эффективность энергетического строительства и эксплуатации в Украине. Макеевка : Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, 2008. С. 54-65.
6. Ефимов Е. Н., Тимашова Л. В., Ясинская Н. В. Причины и характер повреждаемости компонентов воздушных линий электропередачи напряжением 110-50 кВ в 1997-2007 гг. // Энергия единой сети. 2012. № 5. С. 32-41.
7. Горохов Е. В., Шаповалов С. Н., Удод Е. И. Повышение надежности и долговечности электросетевых конструкций / под ред. Е. В. Горохова. Ки!в : Техшка, 1997. 284 с.
8. Аэродинамика электросетевых конструкций / Е. В. Горохов, М. И. Казакевич, С. Н. Шаповалов, Я. В. Назим ; под. ред. Е. В. Горохова, М. И. Казакевича. Донецк, 2000. 336 с.
9. Барг И. Г., Эдельман В. И. Воздушные линии электропередачи: Вопросы эксплуатации и надежности. Москва : Энергоатомиздат, 1985. 248 с.
10. Горохов Е. В., Бакаев С. Н., Назим Я. В. Анализ причин и последствий аварий на участках ВЛ 330 кВ Джанкойских МЭС Крымской электроэнергетической системы НЭК «Укрэнерго» // Металлические конструкции. 2010. Т. 16, № 2. С. 81-97.
11. Правила устройства электроустановок : утверждены приказом Министерства энергетики Российской Федерации от 8 июля 2002 г. № 204 : дата введения 2003-01-01. 7-е издание. Москва : Минэнерго России, 2005. 504 с.
12. Правила устройства электроустановок / Государственный производственный комитет по энергетике и электрификации СССР, Техническое управление по эксплуатации энергосистем. 3 -е издание, переработанное и дополненное. Москва ; Ленинград : Энергия, 1964. 456 с.
13. СНиП II-B.3-72. Стальные конструкции. Нормы проектирования : утверждены Государственным комитетом Совета Министров СССР по делам строительства 29 декабря 1972 г. Москва : Стройиздат, 1974. 70 с.
14. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции = Steel structures : свод правил : издание официальное : утвержден приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 27 февраля 2017 г. № 126/пр : [взамен 16.13330.2011] : дата введения 2017-08-28. Москва : Стандартинформ, 2017. 142 с.
References
1. Shevchenko N. Yu. Improving the efficiency of reconstructed overhead power lines subject to extreme weather effects: specialty 05.09.03 Electrical complexes and systems: dissertation for the degree of candidate of Engineering. Saratov; 2011. 163 p. (In Russ.).
2. Nazim Ya. V., Leshchenko A. A., Kostin V. V. Comparative analysis of approaches to determining climatic loads on overhead lines on the example of the Crimean Power Plant. Metal structures. 2010;16(1):61-74. (In Russ.).
3. Nazim Ya. V., Leshchenko A. A., Kostin V. V. Implementation of new developments of normative documentation in the sphere of electric networks climatic provision in practical calculations. Bulletin of the Donbas National Academy of Life and Architecture. 2009;1:22-25. (In Russ.).
4. Gorokhov E. V., Kazakevich M. I., Turbin S. V., Nazim Ya. V. Wind and ice effects on overhead power lines. Edited by E. V. Gorohova. Donetsk; 2005. 348 p. (In Russ.).
5. Gorokhov E. V., Nazim Ya. V., Vasylev V. N., Leshchenko A. A. Forecasting and prevention of accidents on overhead power lines under the action of extreme ice-wind loads. Efficiency of energy construction and
operation in Ukraine. Makeevka: Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture; 2008. Р. 5465. (In Russ.).
6. Efimov E. N., Timashova L. V., Yasinskaya N. V. Causes and nature of damage to components of overhead power lines with a voltage of 110-750 kV in 1997-2007. Energy of a single network. 2012;(5):32-41. (In Russ.).
7. Gorokhov E. V., Shapovalov S. N., Udod E. I. Improving the reliability and durability of electric grid structures. Edited by E. V. Gorokhov. Kyiv: Tekhnika; 1997. 284 p. (In Russ.).
8. Gorokhov E. V., Kazakevich M. I., Shapovalov S. N., Nazim Ya. V. Aerodynamics of power grid structures. Edited by E. V. Gorohov, M. I. Kazakevich. Donetsk; 2000. 336 p. (In Russ.).
9. Barg I. G., Edelman V. I. Overhead power lines: Issues of operation and reliability. Moscow: Energoatomizdat; 1985. 248 p. (In Russ.).
10. Gorokhov E. V., Bakaev S. N., Nazim Ya. V. Analysis of the causes and consequences of accidents at sections of the 330 kV overhead line Dzhankoy MES of the Crimean electric power system of NPC Ukrenergo. Metal constructions. 2010;16(2):81-97. (In Russ.).
11. Electric installation rules. Approved by order of the Ministry of Energy of the Russian Federation dated July 8,2002 No. 204: introduction date 2003-01-01. 7th edition. Moscow: Ministry of Energy of Russia; 2005. 504 p. (In Russ.).
12. Rules for the installation of electrical installations / State Production Committee for Energy and Electrification of the USSR. Technical Administration for the Operation of Energy Systems. 3rd edition, revised and additional. Moscow; Leningrad: Energy; 1964. 456 p. (In Russ.).
13. SNiP II-B.3-72. Steel structures. Design standards: approved by the State Committee of the Council of Ministers of the USSR for construction on December 29, 1972. Moscow: Stroyizdat; 1974. 70 p. (In Russ.).
14. SP 16.13330.2017. Steel structures: set of rules: official edition: approved by order of the Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the Russian Federation dated February 27, 2017 no. 126/pr: [instead of 16.13330.2011]: introduction date 2017-08-28. Moscow: Standartinform; 2017. 142 p. (In Russ.).
Информация об авт орах
А. А. Новоселов - доцент кафедры «Здания, строительные конструкции и материалы» Сибирского государственного университета путей сообщения, кандидат технических наук.
Н. С. Пичкурова - доцент кафедры «Здания, строительные конструкции и материалы» Сибирского государственного университета путей сообщения, кандидат технических наук.
Information about the authors
A. A. Novoselov - Associate Professor of the Buildings, Building Constructions and Materials Department, Siberian Transport University, Candidate of Engineering.
N. S. Pichkurova - Associate Professor of the Buildings, Building Constructions and Materials Department, Siberian Transport University, Candidate of Engineering.
Статья поступила в редакцию 13.09.2022; одобрена после рецензирования 05.10.2022; принята к публикации 07.11.2022.
The article was submitted 13.09.2022; approved after reviewing 05.10.2022; accepted for publication 07.11.2022.
