Нормативы гололедно-ветровых нагрузок, принятые в России и других странах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Б.М. Манатов, 2002

УАК 621.3.019.3

Б.М. Манатов

НОРМАТИВЫ ГОЛОЛЕАНО-ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК, ПРИНЯТЫЕ В РОССИИ И АРУГИХ СТРАНАХ

Вопрос о повышении надежности сетей 6 - 10 кВ в период гололедообразо-ваннй является давно назревшим и весьма актуальным. Воздействие гололедно-изморо-зевых образований, при сопутст-вии им сильных ветров на воздушные электрические сети приводит к массовому выходу их из строя на длительное время.

В гололедные периоды отмечается повышенная аварийность ВЁ 6 и 10 кВ вызывающая простои шахт с сокращением и даже с полным прекращением добычи угля.

При нормировании расчетных климатических условий основной проблемой является определение их повторяемости. В ряде стран (Франции, Финляндии, Германии, Швеции) нормы расчета механической части воздушных линий принимаются по условно-нормированным климатическим условиям, отражающим случаи редкой повторяемости с дополнительными указаниями о выборе расчетных климатических условий по метеорологическим условиям данного района прохождения трассы воздушных линий, если эти нагрузки больше нормированных. В Швеции, Франции, США и России территория разбита на районы гололедности по интенсивности и повторяемости гололедообразований. В Германии и Финляндии деление на районы по гололедности не производится. В России. Швеции и США размеры гололеда нормируются толщиной слоя льда независимо от диаметра провода. Во Франции, Голландии,Финляндии. Норвегии и Германии вместо толщины слоя гололеда нормируется величина гололедной нагрузки на провод в зависимости от диаметра провода. Температура воздуха при гололеде принята:

в Швеции, Швейцарии, Финляндии - 0 °С, в России, Германии, Польше и Франции -5 °С. В США температура при гололеде принимается в зависимости от района гололедности: в легком - минус 1,1 °С; в среднем - минус 9,4 °С. в тяжелом - минус 17,8 °С. Удельный вес гололеда принимается в России - 0,9 г/см3, в США - 0,917 г/см3, в Швеции - 0,75 г/см3, - независимо от интенсивности гололедообразования.

Расчетные нагрузки от давления ветра в Швеции и США приняты на провода, покрытые гололедом при = 39 даН/м2. В Финляндии и Германии нагрузки от давления ветра приняты на провода, свободные от гололеда; провода здесь рассчитывают на гололедные нагрузки без учета ветровых нагрузок. В России на провода с гололедом принята нагрузка от давления ветра со скоростью, равной 0,5 Утш!. Наибольшие ветровые нагрузки при гололеде приняты в Италии, где их величина соответствует максимальному значению для района, но не более 72 даН/м2, и во Франции, где = 72 даН/м2. В Японии нормируется толщина стенки гололеда Ь = 6 мм при "минимальной" температуре и ветровой нагрузке = 15

даН/м2.

Сопоставление способов нормирования расчетных климатических условий для проектирования ВЁ в различных странах показало, что методика построения норм, принятая в России, наиболее полно отвечает физической сущности работы ВЁ в гололедных районах.

Выполненные ранее исследования рассматривают вопросы борьбы с гололедом в сетях с напряжением выше 35 кВ. Новые исследования надежности электроснабжения угольных шахт

также не касаются условий работы ВЁ 6-10 кВ в гололедных районах. Отсутствие экономически обоснованных нормативов гололедно-ветровых нагрузок и высокая аварийность воздушных линий требуют исследования надежности электроснабжения шахт по ВЁ 6-10 кВ в неблагоприятных климатических условиях гололедного района.

ПУЭ предусматривают использование исследований статистических характеристик гололедно-ветровых нагрузок с учетом реальных сочетаний метеорологических факторов гололедного района. Сбор и обработка таких данных представляет весьма трудоемкую задачу, не имеющую определенной методики получения исходных данных.

В гололедном угольном регионе Восточного Донбасса были изучены условия работы и гололедные аварии ВЁ 6-10 кВ в сетях электроснабжения шахт. В производственных условиях проведены 520 наблюдений гололедообразований на проводах шахтных ВЁ 6-10 кВ и скорости ветра при гололеде. В гололедные периоды исследовано время отключения шахт, величина гололеда и скорость ветра при 400 гололедных авариях на резервированных шахтных ВЁ 6-10 кВ. Обработка данных наблюдений, выполненная методами математической статистики с использованием теории вероятностей, послужила базой для разработки методов определения нормативов гололедно-ветровых нагрузок шахтных ВЁ 6-10 кВ.

Действующие в настоящее время "Руководящие указания по плавке гололеда на воздушных линиях электропередач" предназначены для сетей напряжением выше 35 кВ. Сети напряжением 6-10 кВ составляют в Восточном Донбассе 40 % от протяженности всех сетей 6-220 кВ, но не имеют средств активной борьбы с гололедом.

В работе приведена структура, формы и условия возникновения гололедообразований, наблюдающихся в Донбассе: иней, изморозь, гололед, сложные отложения и мокрый снег. Рассмотрены специфические дина-

мические нагрузки, вызываемые воздействием ветра на покрытый гололедообразованиями провод: вибрация, пляска, качание и скручивание проводов. Разработаны поправочные коэффициенты, необходимые для приведения данных наблюдений величины гололедообразований на метеостанциях, к фактическому диаметру провода и высоте его подвески.

Дано определение физической сущности процесса плавления гололеда электрическим током на основе исследования сложного теплового поля провода, покрытого слоем осадка в движущейся воздушной среде.

Определены условия применения некоторых известных способов плавки, из числа рекомен-

дова

ипйол

набже

ї:алтавд»,£>аз

0Я%ШиДё>Яос<

ниед6,- мм ЬВ

в.

Ііровод

^ение

[о-мет

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10. 11. 12.

13.

14.

ь-ТЕНО‘

ного подхода к решению актуальной научной проблемы - повышение надежности функционирования сетей электроснабжения 610 кВ угольных шахт в гололедном регионе.

Разработан вариант комплексного решения этой проблемы, согласно которому в результате исследования физикогеографических и синоптических условий процесса гололедообразования, решаются задачи исследования:

1. Разработать метод определения научно-обоснованного норматива гололедной нагрузки, на основе исследования физикогеографических и синоптических условий процесса гололедообразования, с выявлением парамет-ов и основных показателей

етейнадектр

ос

диссертацио ится трореті и разрабать одические 18

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

к 6233.019.3

3Интегр8ЙЙ1е 5-ная фтиро ция.^ЬЦи

4ной2 Цбабо'

іческр4зобо б

[ваются нау новыг , систе; 0,04

0,78 0,93 1,07

1,

1,37 1 ,47 1,66 1,86

1,96

2,12

2,25

дн°й р(&гру:

вания, монт и шахтных

е 0,0163аб 0,078ол

же098$710 регионе-

0,245Єлєщ 0,5160

0,7823

0,8238

0,8577

0,8888

0,9147

0,9292

0,9515

0,9686

0,9750

0,9829

0,9877

©і

еления стихийной го-

пириодпоиторе^'

ажанияэнк сап уа етей электро

Р0а,з7р5а4б9ота ия норматив; 0,4840

0,2177 0,1762 0,1423

0,1112

0,0853

0,0708

0,0485

0,0314

0,0250 Б00)1*у1найі

0,0123

Б.М. Манаиков

РАЗРАБОТКА МЕТОЛА ОПРЕАЕАЕНИЯ ГОЛОАЕЛНОЙ НАГРУЗКИ

кВ в гоуіолед-1,1

"Ь метод опре а ветровой на 2,0

4.6

5.7 7,0

9,0

11.7 14,1 20,6

31.8

ков.

40,0

58$

81,3

НОРМАТИВА

разработке характеристики физико-^графических и синоптических условий возникно-кни! гололеда в обследованном регионе получена совокупность зависимостей основных метеоэлементов, участвующих в стихийном процессе гололедообразования: зависимость толщин стенок гололеда Ь, мм на проводах линий электропередач от высоты местности Н, м, зависимость температуры ^ °С при процессе обледенения провода от высоты места и др зависимости. Значительный объем - 520 наблюдений в условиях обследованного региона позволил построить статистический ряд значений толщин стенок гололеда и кривые статистического и нормального

грузки, на основе исследования физико-географических и синоптических условий возникновения ветровых нагрузок в процессе гололедообразования, с выявлением параметров и основных показателей распределения ветровой нагрузки в шахтных сетях электроснабжения 6-10 кВ.

3. Определить взаимосвязи между гололедом, ветром и временем отказов и показатели надежности шахтных сетей электроснабжения 6-10 кВ в гололедном регионе.

4. Разработать метод определения технико-экономическких параметрических зависимостей между математическим ожиданием убытка шахты и капиталовложениями в сооружение и защиту от гололеда на 1 км шахтной ВЁ 6-10 кВ.

5. Установить эффективные методы борьбы с гололедом, включая плавку электрическим током, применительно к шахтным сетям электроснабжения 6-10 кВ.

распределения, получить положительные результаты при количественной оценке степени расхождения этих кривых по показателям асимметрий Бк = -0,052 и эксцесса Ех = -0,58. Отношение показателей асимметрии и эксцесса к их ошибкам: Зк/тз = 0,52<3; Ех/тЕ = 2,6<3.

Так как отношение асимметрии и эксцесса к их ошибкам меньше трех, то на основании правила трех сигм (правило тройной ошибки)можно сделать заключение, что асимметрия и эксцесс не имеют в данном случае существенного значения, и что изучаемый признак подчиняется закону нормального распределения (рисунок).

Установлен закон нормального распределения гололедной нагрузки:

(-М )2 1 (-17,7)

2-с2 _ 1 . л 2-(б,8) , (1)

/ ( х) = -

1

и

•л/2

• е

п

6,8 •л/2'

г-е

п

где М - среднее арифметическое, М = 17,7 мм; с -среднее квадратическое отклонение с = ±6,8 мм; Ь -толщины стенок гололеда, мм (с удельным весом у = 0,9 г/см3).

Для определения научно-обоснованного норма-ти0ва гололедной нагрузки по величине н повторяемости выполнен расчет периодов повторения -Т лет, в течение которых значение норматива толщин стенок гололеда - Ьн, не будет превышено более одного раза:

т _ уI1 - ^4)), (2)

где Р(Ь) - интегральная функция распределения толщин стенок гололеда.

Результаты расчета приведены в таблице.

На основе установленного закона нормального распределения толщин стенок гололеда по их ве-

Экспериментальная кривая - IP и кривая нормального распределения - IIf толщин стенок гололеда - b на проводах шахтных ВЛ 6 - 10 кВ (р - частота (количество) измерений)

личине и повторяемости разработан метод определения научно - обоснованного норматива гололедной нагрузки. Применение норматива в практике проектирования и эксплуатации ВЛ 6-10 кВ угольных шахт, расположенных в гололедном регионе, повышает надежность сетей электроснабжения шахт в гололедные периоды и повышает безопасность шахтеров, работающих в сложных горно-геологических условиях на глубоких горизонтах.

Установлено значение научно-обоснованного норматива гололедной нагрузки ВЛ 6-10 кВ в Восточном Донбассе по толщине стенки гололеда bH10 = 27 мм с повторяемостью 1 раз в 10 лет.

Гололедная нагрузка, рассчитанная на основании установленного научно-обоснованного норматива - q = 3,1 даН/м, превышает нагрузку при проектировании по действующим ПУЭ-85 г. (q = 1,2 даН/м), в 2,6 раза. Такое занижение гололедных нагрузок в действующих нормативах является одной из основных причин недостаточного уровня надежности электроснабжения шахт.

Разработка метода определения норматива гололедной нагрузки на основе изучения физикогеографических и синоптических условий гололедного региона с получением совокупности зависимостей основных метеоэлементов, участвующих в процессе гололедообразования, определением основных показателей и установлением закона нормального распределения и интегральной функции по величине и повторяемости толщин стенок гололеда, позволила определить норматив гололедной нагрузки bH = 27 мм для проектирования, монтажа и эксплуатации шахтных сетей электроснабжения 6-10 кВ в гололедном регионе.

КOРOTКO OБ ABTOРAX

Манацков Борис Михайлович — доцент, кандидат технических наук, г. Шахты.

© Б.М. MaHauo, 2002

УАК 621.3.019.3

Б.М. MaHauKos

РAЗРAБOTКA МЕЮАА OПРEAEЛEHИЯ HOРMATИBA BETРOBOЙ НАГРУЗКИ ПРИ ГOЛOЛEAE

ри изучении характеристик физико-географических и синоптических условий возникновения ветровых нагрузок и совпадающих с ними нагрузок от гололеда в обследованном регионе получена совокупность зависимостей метеоэлементов, участ-

вующих в возникновении различных скоростей ветра при стихийном процессе гололедообразования: повторяемости

(%) направления ветра в зимние месяцы; повторяемости наибольших скоростей ветра по региону один раз в год, 5, 10, 15, и 20 лет; вероятности скоростей ветра в различных пределах (%) от общего числа случаев; вероятности различных скоростей ветра по направлениям (румбам, %), и другие зависимости.

При расчете ветровой нагрузки на покрытые гололедом провода ВЁ 6-10 кВ наиболее обоснован-