СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОПОР ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Изобретение относится к энергетическому строительству, а именно к способу динамических испытаний опор воздушных линий электропередачи, который позволяет определить влияние динамических нагрузок, связанных, например, с обрывом проводов вследствие гололедных аварий или усталостных колебательных повреждений на выходе из поддерживающего зажима, на прочность и деформативность опор.

Известен способ испытания опор, включающий установку испытываемой опоры в горизонтальное положение, ее закрепление на анкерной конструкции, установку блоков на испытываемой опоре и анкерной конструкции и соединение блоков тросом с лебедкой, с помощью которой за счет натяжения троса создаются продольные и поперечные нагрузки, приложенные к опоре [1]. Недостатком известного способа является то, что напряженно-деформированное состояние конструкции опоры производят при приложении к ней статических нагрузок, при том, что в реальных условиях эксплуатации значительная часть повреждений опор связана с воздействием на них динамических нагрузок, которые могут превосходить статические почти в два раза, с. 106 [2].

Известен также способ проведения сейсмических испытаний опор воздушных линий электропередачи, включающий установку по меньшей мере одной опоры в грунтовый лоток сейсмоплатформы, закрепление на траверсах опоры грузов, вес которых соответствует весу проводов между опорами, приведение грунтового лотка в колебательное движение в режимах, моделирующих возможные сейсмические нагрузки на опоры [3]. Однако при моделировании реального воздействия сейсмических колебаний на опору не учтены ее основные динамические характеристики, включая приведенную жесткость опоры и закрепленных на траверсах опоры проводов, а также собственную частоту колебаний системы опора-провода. Указанный недостаток снижает объективность и достоверность известного способа.

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является способ динамических испытаний опор воздушных линий электропередачи, включающий закрепление на верхней части опоры конца тросовой тяги с калиброванной разрывной вставкой и динамометром, другой конец которой соединен с лебедкой, воздействие на опору импульсной нагрузкой, создаваемой в результате разрыва калиброванной на заданное усилие вставки при натяжении лебедкой тросовой тяги до этого усилия и определение отклика опоры на воздействие импульса нагрузки [4]. Недостатком известного способа является то, что согласно ему предусмотрено проведение динамических испытаний только единичной стойки опоры воздушных линий электропередачи без учета действия на опору вертикальных нагрузок от собственного веса проводов и гололеда, а также упругого тяжения проводов.

Технический результат настоящего изобретения заключается в обеспечении динамических испытаний единой системы опор, объединенных упругими механическими связями, выполненными в виде тросовых тяг с встроенными пружинами растяжения, моделирующих реальный анкерный участок для определения их динамических характеристик как в расчетных условиях, так и в аварийных режимах, вызванных воздействиям гололедных нагрузок, превышающих предельные значения, включающих разрушение конструкций опор.

Достижение этого технического результата осуществляется тем, что в известном способе динамических испытаний опор, включающем закрепление на верхней части опоры конца тросовой тяги с калиброванной разрывной вставкой и динамометром, другой конец которой соединен лебедкой, воздействие на опору импульсной нагрузкой, создаваемой в результате разрыва калиброванной на заданное усилие вставки при натяжении лебедкой тросовой тяги до этого усилия и определение отклика опоры на воздействие импульса нагрузки, согласно изобретению устанавливают на основание силовой прямоугольной рамы стенда для динамических испытаний опор не менее трех промежуточных опор, моделирующих анкерный участок, в котором боковые стойки рамы представляют собой макеты анкерных опор, закрепляют на изоляторах, установленных на траверсах, тросовые тяги с встроенными в них калиброванными разрывными вставками, динамометрами и пружинами растяжения, у которых зависимость между усилием растяжения и удлинением пружины соответствует зависимости силы натяжения провода в реальном пролете от его удлинения, вызванного воздействием на провод нагрузки от собственного веса провода и веса гололеда, кроме того, концы тросовых тяг через блоки, установленные на верхней части боковой стойки рамы, соединяют с соответствующими лебедками, закрепленными на основании рамы, наряду с этим на каждом изоляторе опоры закрепляют тарировочный груз, вес которого равен разности между весом провода в реальном пролете и весом тросовой тяги, с встроенными в нее калиброванной разрывной вставкой, динамометром и пружиной растяжения, закрепленной в пролете между двумя опорами, установленными на стенде, осуществляют натяжение тросовых тяг с помощью лебедок до разрыва одной из калиброванных вставок, рассчитанных на минимальное усилие натяжения тросовой тяги, определяемое нагрузкой от собственного веса провода в пролете, при разрыве калиброванной вставки определяют отклик промежуточных опор на воздействие импульсной нагрузки, включая измерение амплитуды и собственной частоты колебаний опор с помощью датчиков перемещения, установленных на верхней балке рамы, при этом тензодатчиками определяют механические напряжения в критических точках конструкций опор в период воздействия на опоры импульсной нагрузки, аналогичным путем осуществляют повторение описанных операций после закрепления на изоляторах дополнительных грузов, вес которых соответствует весу гололеда с возрастающей толщиной его стенки, включая ее максимальное значение, и с учетом повышения силы натяжения провода в пролете от увеличения дополнительной нагрузки на него от веса гололеда, повышают величину усилия разрыва калиброванной вставки до значения, соответствующего этой дополнительной нагрузке и собственному весу провода, после окончания испытаний по моделированию воздействия на провод гололеда с максимальной толщиной стенки устанавливают величину усилия разрыва калиброванной вставки равной усилию разрыва провода, и за счет натяжения тросовой тяги до этого усилия производят разрушение наименее прочной конструкции опоры, при этом вследствие редукции тяжения проводов разрушаются конструкции опор в соседних с аварийным пролетах, осуществляют регистрацию основных параметров процесса разрушения конструкций опор и определяют коэффициенты динамичности опор.

Установка не менее трех промежуточных опор на основании силовой прямоугольной рамы, моделирующих анкерный участок, в котором боковые стойки рамы представляют собой макеты анкерных опор, закрепление на изоляторах, установленных на траверсах, тросовых тяг с встроенными в них калиброванными разрывными вставками, динамометрами и пружинами растяжения, являющимися упругими эквивалентами проводов в промежуточных пролетах, у которых зависимость между усилием растяжения и удлинением пружины соответствует зависимости силы натяжения провода в промежуточном пролете от его удлинения, вызванного воздействием на провод нагрузки от собственного веса провода и веса гололеда, а также закрепление на изоляторах опор грузов, веса которых соответствуют весам приложенных к проводу нагрузок, позволило на компактном стенде исследовать работу опор в анкерном участке в расчетных и аварийных режимах в условиях максимально приближенных к реальным. Отмеченные обстоятельства позволяют уточнить методики расчета опор на основе полученных экспериментальных данных, так как теоретические методы описания сложных динамических процессов, происходящих в воздушных линиях электропередачи, с множеством влияющих факторов, имеют ограниченное применение вследствие недостаточно высокой точности расчетов.

Нагружение опор в конце испытаний разрушающей нагрузкой и регистрации основных параметров разрушения конструкций опор позволяют определить предельную расчетную нагрузку на опору и выявить наименее прочные узлы конструкций опоры.

На фиг. 1 представлена схема стенда для динамических испытаний опор воздушных линий электропередачи, на фиг. 2 - зависимость силы натяжения провода в пролете от его удлинения, вызванного изменением удельных нагрузок от гололеда.

Стенд для динамических испытаний опор воздушных линий электропередачи включает силовую прямоугольную раму 1, на основании 2 которой установлено не менее трех испытуемых опор 3, моделирующих анкерный участок, в котором боковые стойки 4 рамы 1 представляют собой макеты анкерных опор. На изоляторах 5, установленных на траверсах 6, закреплены тросовые тяги 7 с встроенными в них калиброванными разрывными вставками 8, динамометрами 9 (устройства 8 и 9 показаны только на одной тросовой тяге) и пружинами растяжения 10, представляющими собой упругие эквиваленты проводов, включая грозозащитный трос, закрепляемых на изоляторах 5 испытуемых опор 3 в реальных промежуточных пролетах. Концы тросовых тяг 7 через блоки 11 соединены с соответствующими лебедками 12, закрепленными на основании 2. На верхней балке 13 рамы 1 установлены датчики перемещения 14, вершин 15 опор 3.

Динамические испытания опор осуществляют следующим образом. Предварительно, для проведения динамических испытаний опор в полном соответствии с реальными условиями, на каждом изоляторе 5 испытуемой опоры 3 закрепляют тарировочный груз (не показан), вес которого равен разности между весом провода в реальном пролете и весом тяги 7, с встроенной в нее калиброванной разрывной вставкой 8, динамометром 9 и пружиной растяжения 10, закрепленной в пролете между двумя опорами 3, установленными на стенде.

После этого осуществляют контролируемое динамометрами 9 натяжение тросовых тяг 7 с помощью лебедок 12 до разрыва одной из калиброванных вставок 8, рассчитанных на минимальное усилие натяжения тросовой тяги 7, определяемое нагрузкой от собственного веса провода в реальном пролете. При разрыве калиброванной вставки 8 определяют отклик промежуточных опор 3 на реальное импульсное воздействие, соответствующее условиям эксплуатации, а именно обрыв провода в пролете. При этом измеряют амплитуду и частоту собственных колебаний опор 3, соединенных между собой тросовыми тягами 7 с встроенными пружинами растяжения 10, являющимися упругими эквивалентами проводов, с помощью датчиков перемещения 14.

Также тензодатчиками (не показаны) определяют механические напряжения в критических точках конструкций опор 3 в период воздействия на них импульсной нагрузки. Аналогичным образом осуществляют повторение описанных операций после закрепления на изоляторах 5 дополнительных грузов (не показаны), вес которых соответствует весу гололеда с возрастающими ступенями толщины его стенки, включая ее максимальное значение. С учетом повышения силы натяжения провода в пролете от увеличения дополнительной нагрузки на него от веса гололеда повышают величину усилия разрыва калиброванной вставки 8 до значения соответствующего этой дополнительной нагрузке и собственному весу провода.

После окончания испытаний по моделированию воздействия на провод гололеда с максимальной сверхнормативной толщиной стенки устанавливают величину усилия разрыва калиброванной вставки 8 равной усилию разрыва провода и за счет натяжения тросовой тяги 7 производят разрушение наименее прочной конструкции опоры 3, при этом вследствие редукции тяжения проводов разрушаются конструкции опор 3 в соседних с аварийным пролетах. Также осуществляют регистрацию параметров процесса разрушения конструкций опор 3 и определяют коэффициенты динамичности опор 3.

На примере ВЛ 110 кВ с многранными опорами, к которым подвешены сталеалюминиевые провода АС-70, II района гололедности (максимальная толщина стенки гололеда составляет 10 мм) при длине пролета l=300 м, определим зависимость силы натяжения провода в пролете от его удлинения, вызванного изменением удельных нагрузок от гололеда.

Исходные данные:

- Общее сечение провода S=79,3 мм²;

- Диаметр провода d=11,4 мм;

- Вес 1 км провода 275 кгс;

- Максимально допустимое напряжение σ_max=11,6 кгс/мм, при максимальной толщине стенки гололеда с=10 мм и температуре t=-5°C;

- Удельная нагрузка от собственного веса провода γ₀=3,46⋅10^-3 кгс/м⋅мм²;

- Удельная нагрузка от веса гололеда с толщиной стенки 10 мм

γ_{r max}=7,463⋅10^-3 кгс/м⋅мм²;

- Удельная нагрузка от веса провода с гололедом

γ=γ₀+γ_{r max}=3.46⋅10^-3+7.63⋅10^-3=11.09⋅10^-3 кгс/м⋅мм²

Механические напряжения в проводе при изменении нагрузок от гололеда, определяются из уравнения состояния провода [5]

где Е=8,25⋅10³ кгс/мм² - модуль упругости провода.

В результате решения уравнения (1) было определено σ₀ - напряжение в проводе, вызванное удельной нагрузкой γ₀ от собственного веса провода, σ₀=4.21 кгс/мм², а также напряжение σ₅=7.24 кгс/мм² при толщине стенки гололеда 5 мм.

По полученным значениям напряжений в проводе при толщинах стенки гололеда 0; 5 и 10 мм (точки А, В, С на графике) была построена зависимость силы натяжения провода в пролете Р=σ×S от его удлинения ΔL, вызванного изменением удельных нагрузок от гололеда (фиг. 2). При этом удлинение ΔL определялось по формуле

его максимальное значение равно

Как следует из графика фиг. 2, в его точках А, В, С сила натяжения провода в пролете Р и удлинение провода ΔL равны соответственно Р_А=333,85 кгс, ΔL_A=153 мм; Р_В=574,1 кгс, ΔL_B=263,27 мм; Р_С=919,88 кгс, ΔL_C=421,8 мм. При этом в диапазоне удлинения провода равном 268.73 мм, вызванного воздействием гололеда, его сила натяжения изменяется от 333.85 до 919.88 кгс практически по линейной зависимости. Аналогичным образом согласно [5] производят расчет грозозащитного троса.

Так как в предложенном техническом решении провода в реальном пролете заменены их упругими эквивалентами, в качестве которых использованы пружины растяжения, представленная на фиг. 2 зависимость является исходной для расчета нагрузочной характеристики пружины.

Расчет размеров и параметров пружины проведен согласно [6]. Параметры рассчитанной пружины представлены в таблице.

Использование предложенного способа динамических испытаний опор воздушных линий электропередачи позволит обеспечить динамические испытания единой системы опор, объединенных упругими механическими связями, выполненными в виде тросовых тяг с встроенными в них пружинами растяжения, наиболее полно моделирующей реальный анкерный участок, для определения динамических характеристик опор при имитации реального импульсного воздействия на них, соответствующего условиям эксплуатации, а именно обрыв провода, как в расчетных условиях, так и в аварийных режимах, вызванных воздействием гололедных нагрузок, превышающих предельные значения, включающих разрушение конструкций опор.

Также предложенный способ позволит провести экспериментальные исследования процессов каскадного разрушения анкерного участка вследствие обрыва проводов, когда потенциальная энергия натяжения проводов в пролетах анкерного участка преобразуется в мощное динамическое воздействие на конструкции опор, приводящее к их разрушению.

Литература

1. Патент РФ №2554285, МПК G01M 5/00, опубл. 10.05.2015.

2. Бирбраер А.Н. Экстремальные воздействия на сооружения. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2009. - 594 с., с. 106.

3. Патент РФ №2574419, МПК G01M 7/02, опубл. 10.02.2016.

4. Металлические конструкции, т. 3 / Под редакцией В.В. Кузнецова. - М.: АСВ, 1999. - 528 с., с. 402.

5. Крюков К.П., Новгородцев Б.П. Конструкции и механический расчет линий электропередачи. - Л.: Энергия, 1979. - 312 с.

6. Ачеркан Н.С. Детали машин, т. 2. - М.: - Машиностроение, 1968. - 408 с.