Разработка метода определения норматива ветровой нагрузки при гололеде Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

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

Для определения научно-обоснованного норма-тиОва 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 = У (1 - ^ 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.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

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

© Б.М. Манаиков, 2002

УЛК 621.3.019.3

Б.М. Манаиков

РАЗРАБОТКА МЕТОЛА ОПРЕЛЕЛЕНИЯ НОРМАТИВА ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ ПРИ ГОЛОЛЕЛЕ

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 ВЛ 6-10 кВ наиболее обоснован-

і

0 5 10 15

1 улулсдпшс нсргіидиі

20

..рг.

25

ри^лі

30

V. м г

л іилщи

мах с1емок 1ололеда в условиях обследованно1о региона позволили построить статистический ряд значений скоростей ветра при гололеде. Статистический ряд преобразован по методу классов, а вычисления основных показателей ряда произведены методами математической статистики способом сумм.

Полученное значение показателя точности Рз = ±1,7 % указывает на достаточную надежность результатов наблюдений. Вариационный ряд значений скоростей ветра при гололеде представлен в виде кривой распределения (рисунок) и соответствующей ей кривой нормального распределения.

Количественная оценка степени расхождения статистической и нормальной кривых распределения выполнена по показателям асимметрии БК = 0,04 и эксцесса Ех = -0,9. Отношение показателя асимметрии к ошибке: = 0,27 << 3; Отношение по-

казателя эксцесса к ошибке: Ех/шЕ = 3. На основании правила трех сигм (правила тройной ошибки) можно сделать заключение, что изучаемый признак подчиняется закону нормального распределения, а асимметрия и эксцесс не имеют существенного значения.

Установлен закон нормального скоростей ветра при гололеде:

1 (у -м )2

/ (X) = ■

ЭксУсрирр^влеёьчааучвива^бос й оваияый чоемаштмводет--рр§ой1еда¥рузкиск<ри сгойоёеде пр ипошэрй£м ость юро-

ра§ав чахтяы* №%№ 6В10 кВ в Восточном Донбассе по скорости ветра Ун = 26 м/с и скоростному напору ветра Ян = 42 даН/м2.

Нормативная погонная ветровая нагрузка для ВЛ 6-10 кВ с условно принятым проводом марки АС 95 при научно-обоснованных нормативах скорости ветра Ун = 26 м/с и соответствующей толщине стенки гололеда Ьн = 27 мм будет равна Рн = 2,96 даН/м что в 5 раз превышает нормируемую по ПУЭ-85 для шахтных ВЛ 6-10 кВ в гололедном регионе Восточного Донбасса. Занижение ветровой нагрузки в действующих ПУЭ приводит к снижению уровня надежности электроснабжения шахт.

Установлено наличие взаимосвязи между гололедом и сопутствующим ветром с определением величины и подтверждением достоверности коэффициента корреляции г = 0,75 по отношению к его ошибке шг = ±0.019; г/шг = 39 >> 4.

Чтобы вывод о достоверности коэффициента корреляции был более надежным, рекомендуется брать величину отношения коэффициента корреляции к его средней ошибке не три, а четыре. В нашем случае отношение значительно больше четырех, следовательно, наличие взаимосвязи между двумя свойствами - гололедом и сопутствующей скоростью ветра считается достоверным.

Определено уравнение связи гололедной (по толщинам стенок гололеда Ь, мм) и ветровой (по скоростям ветра - V, м/с) нагрузок: у = 0.95-х - 0,8 с оценкой по максимальному отклонению не превышающему 5 % и весьма малым значением суммы квадратов отклонений Х82 = 0,66, что свидетельствует о пригодности данного уравнения связи для практического использования.

Разработка метода определения норматива ветровых нагрузок при гололеде, необходимого в практике проектирования, монтажа и эксплуатации ВЛ 6-10 кВ, является вкладом в решение проблемы соз-ПЕРИОАЫ ПОВТОРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА ПРИ ГОЛОЛЕЛЕ

■ е

1

ра

„ 2-

а-V 2 -п 6,6-4 2 п

где М - среднее арифметическое, М = 17.2 м/с; а - среднее квадратическое отклонение, а = 6.6 м/с; V - скорость ветра, м/с.

Определены периоды повторяемости - Т, лет, в течение которых значение норматива скорости ветра при гололеде - V. м/с не будет превышено более одного раза:

т = У(1 - Р(У)).

(2)

где Р^) - интегральная функция распределения скоростей ветра при гололеде.

Результаты расчетов приведены в таблице.

и№ед тЗ) 6-й) едения Скорость ветра при гололеде - V. м./с Отклонение - t Интегральная функция - Р^) 1-Р(^ Период повторения - Т, лет

66 п 1 (1) 2 -2,39 0,0085 0,9915 1,0

2 7 -1,53 0,0630 0,9370 1,1

3 12 -0,77 0,2206 0,7794 1,3

4 15 -0,33 0,3707 0,6293 1,6

5 17 -0,01 0,4960 0,5040 2,0

6 22 0,74 0,7703 0,2297 4,4

7 23 0,88 0,8106 0,1894 5,3

8 24 1,03 0,8485 0,1515 6,6

9 25 1,18 0,8810 0,1190 8,4

10 26 1,33 0,9082 0,0918 10,9

11 27 1,50 0,9332 0,0668 15,0

12 28 1,64 0,9495 0,0505 19,8

13 29 1,79 0,9633 0,0367 27,2

14 30 1,94 0,9738 0,0262 38,2

15 31 2,09 0,9816 0,0184 54,3

16 32 2,26 0,9880 0,0120 83,3

о

Таблица 1

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ПЕРИОЛОВ ПОВТОРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ОТКАЗОВ ВЛ ШАХТ ПРИ ГОЛОЛЕЛНЫХ АВАРИЯХ.

№

пп

10.

Время отказа ВЛ 1 ч

11

12

13

ТГ

15

УДК 62-1^.019.\

М. Манаш0в04

11

12

т»

ААеЖнОСтИ

=27

Отклонение, t

-1,89

-1,05

-0,21

0,00

0,21

0,42

0,63

0,83

количественных ГІОКАзА^ЕІЇ'

Интегральная функция. Рр:)

0,0294

0,1469

0,4168

0,5000

0,5832

0,6628

0,7357

© Б0£6Манаьков, 2008

0,7967

0,8508

—аазрАБотк а ’ ,Ме толОВУстановлення

лОВЛ оЖеНШ в

О

0,9992

Вероятность,

1-р(0

0,9706

0,8531

0,5832

0,5000

0,4168

0,3372

0,2033

0,1492

08

еРР ’ >ЛЕкт—о-НАБж

0,0008

Период повторения Т, лет

1,0

1,2

1,7

2,0

2,4

3,0

5,0

6,7

9,5

14,1

:ни£

ение

1,2

33,2

іеінШ-

125,0

дания высоконадежных сетей электроснабжения шахт в ледных регионах России.

распределения, подтверждая правильность принятой нами гипотезы.

Установлен закон нормального распределения времени зов, который имеет вид:

1 ( -м )

/(х) =

а

■ л/2^

■ е

2-а

1

_и

2-( 4,

П

4,8 -72^

П

(1)

аблюдения за временем отказов, толщинами стенок гололеда и скоростями ветра в условиях обследованного региона при гололедно-ветровых авариях шахтных ВЛ 6-10 кВ позволили выявить закон распределения времени отказов, определить его параметры, установить норматив времени отказов ВЛ - ^ = 18 ч и определить вероятность аварийного простоя на 1 км ВЛ 6-10 кВ - Р(^г = 0,684 1/г и Р(1)Ч = 2,52-10-3 1/ч.

Построена кривая нормального распределения н выполнена оценка степени расхождения статистической и нормальной кривых распределений по зателям асимметрии - БК = 0,25 и эксцесса - Ех = -0,07. Отношение показателей асимметрии и са к их ошибкам: Бк/тз = 2,1<3 и Ех/шЕ = 0,3<3. На основании правила трех сигм можно сделать чение, что варьирование времени отказов ВЛ 6-10 кВ в регионе Донбасса подчиняется закону нормального

где 1 - время отказов, ч; М - сред-среднее арифметическое, М = 12 ч; а - среднее квадратическое отклонение, а = 4,8 ч.

Определены периоды повторения - Т, лет, в течение которых значения времени отказов ВЛ 6 - 10 кВ -1, ч при гололедно-ветровых авариях не будут превышены более одного раза:

т=1(1 - (2)

где Р(1) - интегральная функция распределения времени отказов шахтных ВЛ 6-10 кВ.

Результаты расчетов приведены в табл. 1. Определено наличие взаимосвязей между гололедом, ветром и временем отказов ВЛ 6- 10 кВ при гололедно-ветровых авариях с установлением уравнений связи и значений коэффициентов корреляции г:

между толщинами стенок гололеда - Ь, мм (У) и временем отказов -1, ч (X):

1

3

2

7

3

4

5

6

7

8

е

хі Ь, мм

Таблица 3

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ШАХТ В ГОЛОЛЕДНОМ РЕГИОНЕ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА

Показатели надежности Числовые значения для линий 6 - 10 кВ

Воздушных Кабельных

Параметр потока отказов - щг, 1/год 0,038 0,08

Параметр потока отказов - щч, 1/ч 0,14-10-3 0,3-10-3

Норматив времени отказов - ^, ч 18 12

Вероятность аварийного отказа - р , 1/год 0,684 0,94

Вероятность аварийного отказа - р , 1/час 2,52-10-3 5,4-10-3

Математическое ожидание убытка - М(у), тыс. руб/км 15

Экономически обоснованные капиталовложения в сооружение 1 км линии - КЭ, тыс. руб/км 113

Полные приведенные затраты - 3, тыс. руб/км 10 -

Затраты на повышение надежности - КП, тыс. руб/км 51 -

Вероятность аварийного простоя в период ликвидации внутришахтной аварии - р (150)ЁА 0,021 0,045

Вероятность безотказной работы в период ликвидации внутришахтной аварии при активном резервировании - Р(150)ЁАА 0,9823 0,9565

То же при пассивном резервировании - Р(150)ЁАП 0.9756 09475

Тоэффац^ент готовности при пассивном ре- “Ршзвы ииПИсАЛШвЖНмоРсООРЖНИе г КГ.«В ГОЛОЛЕДНОМ РАЙОНЕ. ЗАТРАТЫ НА УСИЛЕНИЕ 0,7165 КМ ВЛ 6-10 КВ И ЗАШИТУ ВЛ 1 0,5077 1 ПОЛНЫЕ

СрейРИВЕДРННИ ШОРА аЗЪой работ гы - ТсрП, лет 58 23

зеРррТЙОСТШевоткг з*Верр,Цбо1 Мй И'Й№' Уд

<оэффициент готовн гировании восстанавт ойегСйіроаї ивасмиш си трщоммр стемы - К езер- '.А 0,Щруб /км0,5676

Св§емеедр< мячбйШтк азнойзрабо' ■ы - Тср.А , ЭКон омиче9 °3ато 1ты набавку

Зероятност вГезовкЕ зной ра бот ы - Р(0А ски о бос®о-8 88іол еда 6,9)5.2аерь:

Г Я п К ванні ые -Кэ, за щиты - Кп

3 8 13 18 23 28 33 25 41 218 110 4 2 1 0,114 0,304 0,494 0.684 0,874 1,064 1,254 2,5 6,7 10,9 15,0 19.3 23.4 27,6 12.5 33.5 50,4 75.0 96.1 117.0 138.0 -3.5 -15,5 29,4 51 69 87 105,5

у = 0,975 ■ X - 0,3; г = 0,75; (3)

между скоростями ветра - V, м/с (У) и временем отказов -^ ч (X):

у = -0,95 х + 30,4; г = 0,83; (4)

между толщинами стенок гололеда - Ь, мм (У) и скоростями ветра - V, м/с (X):

у = - 1,23 х + 42,8; г = 0,7. (5)

Установлено распределение математического ожидания убытка шахты при гололедно-ветровых авариях ВЛ 6-10 кВ в зависимости от вероятности аварийного простоя

Р( )Г :

М (У) = 22 • Р()) Г тыс. руб / год.

(6)

Минимум полных приведенных расчетных затрат 3:

3 = ( Рн + Ра )• КЭ - М(У) =

= 0,2 • КЭ - М(У) = шт,

где Кэ - экономически обоснованные капиталовложения в сооружение 1 км ВЛ 6-10 кВ в гололедном регионе, тыс руб/км; рн - норма-ный коэффициент эффективности дополнительных единовременных затрат, рн = 0,12; ра -норма

тизационных отчислений, ра = 0,08.

Нормативам толщины стенки гололеда - Ьн = 27 мм и времени отказов - ^ = 18 ч соответствуют экономически обоснованные капиталовложения - Кэ = 113 тыс. руб/км.(рисунок).

Определены допустимые затраты на устройства плавки гололеда и другие способы повышения надежности ВЛ - Кп = 51 тыс. руб/км (табл. 2).

Количественная оценка показателей надежности сетей электроснабжения шахт в гололедном регионе (табл. 3) выполнена для пассивного (П) и активного (А) способов резервирования

навливаемых систем

снабжения, осуществляемых как по воздушным так и по кабельным линиям электропередач 6-10 кВ. Установлены количественные значения показателей надежности: среднегодовые коэффициенты готовности, среднее время безотказной работы, вероятность безотказной работы восстанавливаемых систем.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------

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

Зависимости удельных капиталовложений от гололедной нагрузки. К - капиталовложения, тыс. руб/км ВЛ 6 - 10 кВ; Кн - нормативные; К - спрямление нормативных затрат, Кэ - экономически обоснованные; КП - затраты на активные меры борьбы с гололедом; М - математическое ожидание убытка шахты на 1 км ВЛ; 3 - полные приведенные затраты; t - время отказов, ч; Ь - толщины стенок гололеда, мм.