CC BY
34
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.311, 624.04, 621.3.083.8
DOI : 10.21285/1814-3520-2017-5-122-130
СПОСОБ ЗАЩИТЫ СТАЛЕАЛЮМИНЕВЫХ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ОТ УСТАЛОСТНЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА ВЫХОДЕ ИЗ ПОДДЕРЖИВАЮЩЕГО ЗАЖИМА
© Л.С. Сабитов1, В.К. Ильин2, А.В. Ибрагимова3, Ю.М. Стрелков4
1,2,3Казанский государственный энергетический университет, Российская Федерация, 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51. 4ООО «Инженерный центр «Энергопрогресс», Российская Федерация, 420080, г. Казань, ул. Волгоградская, 34.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Разработать рациональную форму консольной части поддерживающего зажима из алюминия, приваренного к проводу воздушной линии электропередачи (ВЛЭ), для повышения надежности функционирования ВЛЭ. МЕТОДЫ. Поставленная задача решалась аналитически-численным методом. РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния гибкой механической связи, к разновидности которой относятся провода ВЛЭ, вантовые тросовые крепления конструкций, струны частотных датчиков силы и малых перемещений в узлах жесткой заделки. Подобрана форма утолщений, гибкой механической связи в узлах жесткой заделки из условия повышения ее ресурсной стойкости, а также снижения максимального суммарного напряжения от растяжения и изгиба в узлах жесткой заделки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Получена рациональная форма консольной части поддерживающего зажима из алюминия, приваренного к проводу ВЛЭ, для повышения надежности функционирования воздушных линий электропередачи. При этом эффективность предложенного способа защиты от повреждения проводов в этом случае определяется значительным снижением в опасном сечении провода с коаксиально приваренным к нему защитным элементом максимального напряжения стЕ, равного сумме напряжений от растяжения ( ст = ^ / kd2 ) и изгиба ( стшг = 32Мшг max / nD\ ). Это обусловлено тем,
что площадь сечения системы «провод с защитным элементом» и ее момент сопротивления существенно, соответственно в 4 и 8 раз, превышают указанные величины собственно для провода. На данный способ получен патент на изобретение РФ № 2615178.
Ключевые слова: поддерживающий зажим, провода воздушных линий электропередач, ресурсная стойкость, защитный элемент.
Формат цитирования: Сабитов Л.С., Ильин В.К., Ибрагимова А.В., Стрелков Ю.М. Способ защиты сталеалюми-невых проводов воздушных линий электропередачи от усталостных колебательных повреждений на выходе из поддерживающего зажима II Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 5. С. 122-130. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-5-122-130
METHOD TO PROTECT OVERHEAD POWER LINE STEEL-ALUMINIUM WIRES FROM VIBRATION FATIGUE DAMAGE AT THE EXIT OF THE SUSPENSION CLAMP L.S. Sabitov, V.K. Ilyin, A.V. Ibragimova, Yu.M. Strelkov
Kazan State Power Engineering University,
51, Krasnoselskaya St., Kazan, 420066, Russian Federation.
LLC Engineering center "Energoprogress",
34, Volgogradskaya St., Kazan, 420080, Russian Federation.
1Сабитов Линар Салихзанович, кандидат технических наук, доцент кафедры энергообеспечения предприятий и энергоресурсосберегающих технологий, e-mail: sabitov-kgasu@mail.ru
Linar S. Sabitov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Enterprise Power Supply and Energy Saving Technologies, e-mail: sabitov-kgasu@mail.ru
2Ильин Владимир Кузьмич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой энергообеспечения предприятий и энергоресурсосберегающих технологий, e-mail: ilinwk@rambler.ru
Vladimir K. Ilyin, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Enterprise Power Supply
and Energy Saving Technologies, e-mail: ilinwk@rambler.ru
3Ибрагимова Анастасия Викторовна, магистрант, e-mail: ibragimovaav@eprog.ru
Anastasia V. Ibragimova, Master's Degree Student, e-mail: ibragimovaav@eprog.ru
4Стрелков Юрий Михайлович, руководитель проекта ПГУ Казанская ТЭЦ-1, e-mail: strelkovym@eprog.tatenergo.ru Yuriy M. Strelkov, Project Manager of Kazan HPP-1 Combined Cycle Gas Turbine Unit, e-mail: strelkovym@eprog.tatenergo.ru
ABSTRACT. The PURPOSE of research is to develop a rational shape of the extension part of the suspension aluminium clamp welded to overhead transmission line wire in order to improve operation reliability of the overhead line. METHODS. The set problem has been solved by an analytical and numerical method. RESULTS. The authors carried out theoretical researches of the stress-strain state of a flexible mechanical coupling, to which overhead transmission line wires are referred, cable brace structures, strings of frequency sensors of force and small displacements in the anchorage nodes. The form has been chosen for thickenings, a flexible mechanical coupling in the anchorage nodes to improve its resource durability and decrease the maximum total stress from stretching and bending in the anchorage nodes. CONCLUSION. A rational shape of the extension part of the suspension aluminum clamp welded to the overhead transmission line wire has been obtained. It allowed to improve the operation reliability of overhead power transmission lines. The effectiveness of the proposed method of wire protection against damage in this case is determined by a significant reduction in the maximum stress <rZ that equals to the amount of stresses from stretching (< = /2) and bending
(< = 32Мшгтах I nD\) in the dangerous cross-section of a wire with a coaxially welded protective element. This is
determined by the fact that the cross-sectional area of the system "wire with a protective element" and its resistive torque substantially exceed the values specified for the wire (respectively by 4 and 8 times). A patent for the invention RF no. 2615178 has been received for this method.
Keywords: suspension clamp, overhead transmission line wires, resource durability, protective element
For citation: Sabitov L.S., Ilyin V.K., Ibragimova A.V., Strelkov Yu.M. Method to protect overhead power line steel-aluminium wires from vibration fatigue damage at the exit of the suspension clamp. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 5, pp. 122-130. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-5-122-130
Введение
В технике существует несколько разновидностей гибкой механической связи с узлами жесткой заделки, к которым можно отнести провода воздушных линий электропередачи (ВЛЭ), вантовые тросовые крепления конструкций, струны частотных датчиков силы и малых перемещений. Все перечисленные элементы, несмотря на различие областей и целей их применения, сходны в том, что имеют высокое отношение длины к диаметру, подвергаются значительным растягивающим нагрузкам и поперечным колебаниям. Результатом этих воздействий может быть повреждение гибкой механической связи в узлах жесткой заделки, где происходит суммирование напряжений от растяжения и изгиба.
Для снижения указанных напряжений, например, в типовых узлах жесткой заделки струн, производят их зачеканку в круглых ниппелях за счет увеличения диаметра концов струны, либо заделку в разрезных конусах, а также изготовление струны осуществляют как одно целое с коническим утолщением концов [1, 2].
Однако в отмеченных вариантах крепления возможны местные перенапряжения из -за смятия струны. Либо происходит концентрация напряжений в местах перехода конической части струны в цилиндрическую, что приводит к снижению прочности струны в узлах жесткой заделки и ухудшает стабильность частоты колебаний.
Исследование напряженно-деформированного состояния гибкой механической связи
в узлах жесткой заделки
Провода ВЛЭ в той или иной степени подвержены колебаниям, вызванным воздействием ветра, аналогичному воздействию подвержены и тросы вантовых креплений, поэтому в процессе эксплуатации возможны их усталостные колебательные повреждения в узлах жесткой заделки. Для защиты проводов от этих повреждений на выходе из поддерживающего зажима, являющегося узлом жесткости заделки провода, рекомендовано применение спиральных протекторов, навиваемых на провод в месте установки поддерживающего зажима [3]. При этом система «провод с протектором» имеет недостаточно высокие жесткость и изгибную прочность, что не позволяет обеспечивать эффективную защиту провода от усталостных повреждений.
Для решения указанных проблем в данной работе предлагается в узле жесткой задел-
ки гибкой механической связи формировать утолщение из материала, имеющего сходные с ней механические характеристики с начальным диаметром утолщения в месте заделки, равным нескольким диаметрам провода dп гибкой механической связи, плавно переходящее в своей консольной части к диаметру провода dп. При этом форма консольной части утолщения подобрана из условия повышения ресурсной стойкости гибкой механической связи, а также снижения максимального суммарного напряжения от растяжения и изгиба в узле жесткой заделки (рис. 1).
Для провода ВЛЭ и троса вантового крепления формирование утолщения предложенной формы обеспечивается приваркой к ним в узлах жесткости заделки термитной сваркой защитного элемента с заданным профилем консольной части. В случае струны частотного датчика рационально ее изготовление за одно целое с утолщением ее концов соответствующим предложенной форме.
Рис. 1. Защитный элемент из алюминия, приваренный к проводу воздушной
линии электропередачи: 1 - защитный элемент из алюминия, 2 - сталеалюминевый провод, 3 - переформированные в спирали стальные алюминированные проволоки, 4 - поддерживающий зажим Fig. 1. Aliminium protective element welded to the overhead power line wire:
1 - aluminium protective element, 2 - steel-aluminium wire, 3 - aluminum-clad steel wires reformed into spirals; 4 - suspension clamp
Процедура выбора профиля утолщения, формируемого в узле жесткой заделки гибкой механической связи, а также оценка эффективности предложенного способа повышения ее ресурсной стойкости приведены на примере провода ВЛЭ.
Способность провода с защитным элементом выдерживать без повреждения вибрационные колебания определяется в первую очередь уровнем циклических изгибных напряжений в месте его выхода из поддерживающего зажима, а также в сечении на выходе провода из защитного элемента. Исходя из этих условий форма консольной части защитного элемента подобрана таким образом, чтобы во всех сечениях по длине консоли изгибные напряжения не превышали допускаемого значения amax и по возможности были одинаковы в целях наиболее полного использования материала защитного элемента при обеспечении плавного перехода от диаметра защитного элемента D0 к диаметру провода йП (рис. 2).
Для произвольного сечения консоли, отстоящего на расстоянии х от места ее закрепления, условие обеспечения требуемой прочности имеет вид:
4
Do d„
max ?
(1)
где Мшг(х) - изгибающий момент, Мшг(х) = ^(£0 -х); Ж(х) - момент сопротивления круглого сечения, Ж(х) = кВ3 /32,здесь Б = Б(х) - диаметр круга в сечении х, причем В(0) = 2Щ,
Я(Ь0) = 2г.
Рис. 2. Форма консольной части защитного элемента Fig. 2. Shape of the protective element extension part
Условие равного сопротивления изгибу для консоли имеет вид:
F0(L0 - x) =<m
7TD 32
(2)
Или
R =
4F
■ (L0 - x)
(3)
где R=R(x).
Перепишем это равенство в виде
R3 =P(L0 - x),
(4)
где р =
4F0 _ R3
<max L0
Плавный переход от диаметра защитного элемента D0к диаметру провода dП обеспечивается при
dR dx
= 0.
(5)
Будем отыскивать y = R3 в виде
y = a + bx + cx2 + ex3
(6)
из следующих условий:
1) х - 0 , у =
2) х = Ьо, у = г3;
3) х = Ьо, у = 0,
данное условие равносильно равенству (5);
Ьо
4) тте/ = | [р- (Ьо — х) - у]2яХ:
(7)
Отметим, что при выполнении условия (7) обеспечивается минимальное отклонение действительного продольного профиля консоли от теоретического, представляющего собой кубическую параболу, которое обусловлено необходимостью выполнения плавного перехода от диаметра защитного элемента О0 к диаметру провода бП. Из условия 1) следует, что а = В, из условия 2) - г3 = В3 + ЪЬ0 + сЬ0 2 + вЬ0 3, из условия 3) - Ъ + 2сЬ0 + 3еЬ02 = 0, или Ъ = —2сЬ0 -3еЬ02. Тогда
г3 = В3 — 2сЬ02 — 3еЬ03 + сЬ02 + еЬ03 = В — сЬ02 — 2вЬ03;
Ъ = —2
и
(8)
с = ^ — 2 еЬ.
Ь,
о
(9)
Таким образом,
у = В3 +
еЬ2 — 2 В — Г
з ,„з Л С пз „з Л
ь,
х +
'о У
— 2еЬ
т 2 2еЬо V Ьо
23
х + ех .
(10)
Условие минимума интеграла I (7)
® = о
де
или
(Хо— х)— у]^ = 2{[/?•(£о —х) — у]-|дх = о,
де
с учетом (10) приводит к
о
V
L0
(L0-x)-y] x(L0-x)2dx = 0 , (11)
или
e :
0
\\_f3x ■ Ц0- х)3- х( Ь0- х)2 у ]сСх = 0. (12)
0
После вычисления интеграла (12) получим выражение для определения коэффициента
21 в 35 % 7 Ь 7 с
е =------^---2---. (13)
4 Ао 4 А) 2 Ао 4 Ао
Подставив в (13) значение коэффициентов в из (4), Ь из (8) и с из (9), имеем
7 - 3г3
е =7 % . (14)
4 А * 7
Таким образом, в уравнении (6) определены все коэффициенты:
a = R3; b = -2—0-+ eL, с= —^--2eL; e = ■
т 0 ' т 2 '4 L
L0 L0 4 L0
После преобразования (6) получаем уравнение для определения значений диаметра консольных частей защитного элемента D(x) в местах после выхода из поддерживающего зажима в зависимости от текущей координаты x, отсчитываемой от крайних точек поддерживающего зажима:
D( x) = 23â+bx + cxr+ëx3, (15)
Л3 D3 - d 3 D3 - d 3 7 D3 - d 3
где a = ^3; b = -D dn + e• L\- с = D dn -2e• L0; e = — •D0 dП .
8 4L 0 8L2 0 32 L3
Оценка эффективности предложенного способа проводилась при его применении для защиты провода АС 120/19 по ГОСТ 839-80 от усталостных колебательных напряжений.
К проводу диаметром dn, равным 15,2 мм, коаксиально ему, приварен защитный элемент, диаметр которого на выходе из поддерживающего зажима D0 составляет 30,4 мм. Длина консольной части защитного элемента L0 равна 0,5 длины поддерживающего зажима и составляет 110 мм. На консольную часть защитного элемента действует изгибающий момент Мизг, обусловленный вынужденными колебаниями провода АС 120/19 при обтекании его воздушным потоком. При воздействии на провод воздушного потока скоростью 1,47 м/с и длине пролета 300 м создается устойчивая вибрация провода. Значение изгибающего момента Мизг
при указанных условиях составляет 1,912 Нм.
На рис. 2 показано продольное сечение консольной части защитного элемента, про-
0
филь которого для указанных значений величин , йп и Ь0 определен в соответствии с
о
уравнением (15), при этом его коэффициенты имеют следующие значения: а = 3511,808 мм3;
о
Ь = -20,952702 мм2; с = -0,380901 мм; е = 0,0028857. Подставив эти значения в выражение (15), по точкам построим графики зависимости радиуса провода от длины поддерживающего зажима (рис. 3).
3.5
2.5
1.5
0.5
X
Кубическая Cubic p Прямая / парабола i arabola
™ bLraiyriL line А Радиус (кубическая парабола / Radius (cubic parabola) ^^^^ Радиус [линейная) / Radius (linear) W
1.6
1.4
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
0.5
1.5
2.5
3
3.5
4.5
Рис. 3. Графики зависимости радиуса провода от длины поддерживающего зажима Fig. 3. Graphs of wire radius dependence on the length of the suspension clamp
Из приведенной на рис. 4 зависимости изгибного напряжения азэ на консольной части защитного элемента от координаты х, полученной из уравнения (1), следует, что на большей ее длине, начиная от выхода из поддерживающего зажима, практически удовлетворяется условие равного сопротивления изгибу при обеспечении плавного перехода от диаметра защитного элемента D0 к диаметру провода dn. Напряжения от изгиба на выходе из поддерживающего зажима ап и азэ непосредственно для провода АС 120/19 и для провода с приваренным к нему защитным элементом соответственно равны:
M...
о = . п
W„
(16)
M,„
°3э =■
W„„
(17)
где w - момент сопротивления провода, w - 0,14 = 0,115,22 = 351,18 мм3; W - момент сопро-
тивления провода с защитным элементом, w -0,1D„3 = 0,1-30,43 = 2809,45 мм3.
0.02 0.04 0.06 0.08 0.11
Рис. 4. Зависимость изгибного напряжения а на консольной части защитного элемента от координаты х Fig. 4. Dependence of a bending stress at the protective element extension part on x coordinate
После подстановки в формулы (16) и (17) численных значений приведенных в них величин получим напряжения от изгиба на выходе из поддерживающего зажима ап и азэ соответственно равны 5,444 и 0,68 Н/мм2.
Согласно кривой Веллера безопасных изгибных напряжений была определена вероятностная оценка чисел циклов колебаний до разрушения провода на выходе из поддерживающего зажима при отсутствии защитного элемента и при его наличии, которая составила соответственно 109 и 1010 циклов5. Таким образом, применение предложенного способа позволяет как минимум в 10 раз увеличить ресурсную стойкость провода при его вибрации.
Выводы
Наряду с повышением ресурсной стойкости провода предложенный способ [4] позволяет предотвратить аварии линий электропередачи из -за механических перегрузок проводов в случае возникновении «пляски» проводов, вызванной сочетанием значительных ветровых нагрузок с гололедными отложениями. В наиболее опасном сечении провода - в месте его выхода из поддерживающего зажима, возникает суммарное напряжение от растяжения провода и от его изгиба. При пляске проводов существенно увеличивается натяжение провода T вследствие того, что удельные нагрузки на провод от веса провода, покрытого гололедом, и давления ветра на покрытый гололедом провод могут в несколько раз превышать нагрузки от собственного веса провода (для провода АС 120/19 более чем в 5 раз). Кроме того, при воздействии на провод воздушного потока со скоростью, достигающий 30 м/с, происходит увеличение знакопеременного изгибающего момента, действующего в этом сечении (см. рис. 4). В этом случае эффективность предложенного способа защиты от повреждения проводов определяется значительным снижением в опасном сечении провода с коаксиально приваренным к нему защитным элементом максимального напряжения аЕ, равного сумме напряжений от растяжения (ар = 4T / пГ02 ) и от изгиба (ашг = 32Мшгтах/ nD30 ). Это обусловлено тем, что площадь сечения системы «провод с защитным элементом» и ее момент сопротивления существенно, соответственно в 4 и 8 раз, превышают указанные величины собственно для провода.
5РД 34.20.182-90. Методические указания по типовой защите от вибрации и субколебаний проводов и грозоза-
щитных тросов воздушных линий электропередачи напряжением 34-750 кВ. М., 1991. 41 с. / RD 34.20.182-90.
Methodological instructions on the standard protection of wires and lightning protection cables of overhead transmission
lines with the voltage of 34-750 kV from vibration and sub-oscillation. Moscow, 1991. 41 p.
Библиографический список
1. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия, 1970. 424 с.
2. Проектирование датчиков для измерения механических величин / под общ. ред. Е.П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979. 480 с.
3. Колосов В.Г., Рыжов С.В., Цветков Ю.Л. Повышение ресурсной стойкости проводов ВЛ при вибрации путем установки спиральных протекторов в лодочки поддерживающих зажимов // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. 2005. № 6. С. 45-51.
4. Пат. № 2615178. Российская Федерация. Способ защиты сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи от усталостных колебательных повреждений на выходе из поддерживающего зажима / И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов, Ю.М. Стрелков, А.К. Мезиков, А.И. Никифоров; заявл 10.02.2016; опубл. 04.04.2017. Бюл. № 10. 12 с.
References
1. Novitskii P.V., Knorring V.G., Gutnikov V.S. Tsifrovye pribory s chastotnymi datchikami. [Digital devices with frequency sensors]. Leningrad, Energiya Publ., 1970, 424 p. (In Russian)
2. Proektirovanie datchikov dlya izmereniya mekhanicheskikh velichin [Designing sensors for mechanical quantity measurement]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1979, 480 p. (In Russian)
3. Kolosov V.G., Ryzhov S.V., Tsvetkov Yu.L. Povyshenie resursnoi stoikosti provodov VL pri vibratsii putem ustanovki spiral'nykh protektorov v lodochkipodderzhivayushchikh zazhimov [Improving resource resistance of overhead line wires under vibration by spiral protector installation in boats of suspension clamps]. Elektro. Elektrotekhnika. Elektroenergetika. Elektrotekhnicheskaya promyshlennost' [Electro. Electrical engineering. Power engineering. Electrical manufacturing industry]. 2005, no. 6, pp. 45-51. (In Russian)
4. Kuznetsov I.L., Sabitov L.S., Strelkov Yu.M., Mezikov A.K., Nikiforov A.I. Sposob zashchity stalealyuminevykh provodov vozdushnykh linii elektroperedachi ot ustalostnykh kolebatel'nykh povrezhdenii na vykhode iz podderzhivayushchego zazhima [Protection method of overhead lines steel-aluminum wires from fatigue vibrational damages at the exit of the suspension clamp]. Patent RF, no. 2615178, 2017.
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and are equally responsible for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 22.03.2017 г. The article was received 22 April 2017
