Повітряні лінії електропередачі
Зміст
Опори ЛЕП. Облік конкретних особливостей
Високовольтна лінія електропередачі являє собою складний конструктивний комплекс, який при навантаженні працює як просторова сітьова система, що складається з конструкцій опор, з'єднаних проводами й тросами.
У цей час в Україні при спорудженні ліній електропередачі високої напруги застосовуються в основному типові уніфіковані опори ЛЕП, розроблені в 1968-70 р. До цього часу застосовувалися опори й фундаменти проекту уніфікації 1960 р. Кожна типова конструкція призначена для використання в певній області параметрів, однак, у нашій країні, через її більші розміри й, в основному, рівнинного рельєфу, область застосування кожної типової опори ЛЕП досить широка.
Будівництво по типових проектах неминуче приводить до перевитрати матеріалу, викликаному необхідністю переходу від необхідних розмірів конструкцій індивідуального будівництва до найближчих більших, наявним у каталозі виробів, охоплюваних типовими проектами. Ці втрати компенсуються тим, що збільшується серійність виробів, відповідно до чого зменшується їх вартість. Останнім часом широке поширення одержали багатогранні опори ЛЕП, які розраховуються з урахуванням конкретних особливостей лінії.
У цей час в Україні при спорудженні ліній електропередачі високої напруги застосовуються в основному типові уніфіковані опори ЛЕП, розроблені в 1968-70 р. До цього часу застосовувалися опори й фундаменти проекту уніфікації 1960 р. Кожна типова конструкція призначена для використання в певній області параметрів, однак, у нашій країні, через її більші розміри й, в основному, рівнинного рельєфу, область застосування кожної типової опори ЛЕП досить широка.
Будівництво по типових проектах неминуче приводить до перевитрати матеріалу, викликаному необхідністю переходу від необхідних розмірів конструкцій індивідуального будівництва до найближчих більших, наявним у каталозі виробів, охоплюваних типовими проектами. Ці втрати компенсуються тим, що збільшується серійність виробів, відповідно до чого зменшується їх вартість. Останнім часом широке поширення одержали багатогранні опори ЛЕП, які розраховуються з урахуванням конкретних особливостей лінії.
У практиці електромережевого будівництва висота опори й залежний від неї крок опор на лінії прив'язуються до рельєфу місцевості шляхом зміни прольоту опори й пристрою уніфікованих понижувальних (підвищувальних) секцій стовбура опори.
Ці обставини приводять до невиправданого посилення поясів, решітки стовбура, траверс і інших конструктивних елементів опор лінії.
Резерви несучої здатності експлуатованої повітряної лінії можуть бути отримані:
У розрахунках опор ураховуються навантаження наступних видів:
А. Горизонтальні:
Умови роботи повітряної лінії багато в чому залежать від кліматичних особливостей району, у якому вона експлуатується, тому кліматичні умови повинні бути покладені в основу методики оцінки технічного стану повітряної лінії, тому що на її роботу дуже впливають режим температури, вітру, вологість повітря, умови, що сприяють зледенінню, і види атмосферних відкладань (ожеледь, паморозь), а також грозові явища.
Характер клімату будь-якого району може бути встановлений у результаті статистичної обробки систематичних багаторічних метеорологічних спостережень, на підставі яких проводиться вивчення причин виникнення тієї або іншої погоди, її стійкості й мінливості в різну пору року. Такі спостереження проводяться на метеорологічних станціях і постах у багатьох пунктах України.
Слід помітити, що іноді доводиться обмежуватися матеріалами спостережень за відносно короткі строки. У деяких же випадках результати спостережень і виводи не можуть бути поширені на розташовані між метеостанціями ділянки зі своїм місцевим кліматом, особливо в гірських районах, коли висотне положення місцевості й ступінь її доступності дії вітрів не відповідає положенню метеостанцій. Якщо на ділянках з невивченими особливостями клімату можна чекати більш важких кліматичних умов, чим в навколишньому районі, то при проведенні технічного обстеження повітряних ліній необхідне проведення спеціальних спостережень і одержання інформації від енергосистем, управлінь Міністерства шляхів сполучення й зв'язку й інших відомств.
Ці обставини приводять до невиправданого посилення поясів, решітки стовбура, траверс і інших конструктивних елементів опор лінії.
Резерви несучої здатності експлуатованої повітряної лінії можуть бути отримані:
- результаті обліку фактичних вітрових, ожеледних і температурних навантажень і впливів, що мають місце в районі досліджуваної високовольтної лінії;
- за рахунок уточнення навантажень від технологічного обладнання: струмоведучих проводів, грозозахисних тросів, ізоляторів і арматур;
- при уточненні постійних навантажень від власної ваги металоконструкцій, що суттєво для перехідних опор повітряних ліній електропередач;
- у результаті вдосконалювання методів визначення навантажень і розрахунків конструкцій із часу проектування повітряних ліній електропередачі.
Основними навантаженнями, що визначають розміри елементів і фундаментів опор ЛЕП, є горизонтальні навантаження, що виникають при впливах ураганного вітру або при комбінаціях вітру з ожеледдю, а також навантаження, що виникають при обриві проводів і тросівЩодо цього опори електропередач різко відрізняються від ряду інших інженерних споруджень, розміри яких визначаються в основному постійними навантаженнями від власної ваги й корисними технологічними навантаженнями, для яких призначені споруди.
У розрахунках опор ураховуються навантаження наступних видів:
А. Горизонтальні:
- вітрове навантаження на конструкцію опори;
- вітрове навантаження на проведення й троси;
- навантаження від тяжіння проводів і тросів.
- власна вага опори;
- вага гірлянд ізоляторів (з арматурами);
- вага проводів і тросів ( без ожеледі й з ожеледдю).
Атмосферні навантаження й впливу
Проведення повітряних ліній і троси працюють у тяжких умовах, піддаючись дії вітру, ожеледі, хімічних реагентів, що знаходяться в повітрі, вібраціям і т.і. У матеріалах проводів і тросів повітряних ліній виникають більші механічні напруги.Умови роботи повітряної лінії багато в чому залежать від кліматичних особливостей району, у якому вона експлуатується, тому кліматичні умови повинні бути покладені в основу методики оцінки технічного стану повітряної лінії, тому що на її роботу дуже впливають режим температури, вітру, вологість повітря, умови, що сприяють зледенінню, і види атмосферних відкладань (ожеледь, паморозь), а також грозові явища.
Характер клімату будь-якого району може бути встановлений у результаті статистичної обробки систематичних багаторічних метеорологічних спостережень, на підставі яких проводиться вивчення причин виникнення тієї або іншої погоди, її стійкості й мінливості в різну пору року. Такі спостереження проводяться на метеорологічних станціях і постах у багатьох пунктах України.
Слід помітити, що іноді доводиться обмежуватися матеріалами спостережень за відносно короткі строки. У деяких же випадках результати спостережень і виводи не можуть бути поширені на розташовані між метеостанціями ділянки зі своїм місцевим кліматом, особливо в гірських районах, коли висотне положення місцевості й ступінь її доступності дії вітрів не відповідає положенню метеостанцій. Якщо на ділянках з невивченими особливостями клімату можна чекати більш важких кліматичних умов, чим в навколишньому районі, то при проведенні технічного обстеження повітряних ліній необхідне проведення спеціальних спостережень і одержання інформації від енергосистем, управлінь Міністерства шляхів сполучення й зв'язку й інших відомств.
Характеристики стану повітря, атмосферні процеси, які спостерігаються на метеорологічних станціях, атмосферний тиск, вологість повітря, температура, ожеледь, паморозь і інші атмосферні опади, а також вітер і грози називаються метеорологічними елементами
Вітрове навантаження
Аналіз статистичних даних про відмови ПЛ показав, що 46,7% ушкоджень і руйнувань опор відбувається через недостатність знань про дію вітру. Основними причинами аварій були помилки в призначенні величини розрахункового вітрового навантаження, неправильна представлення про характер її розподілу по споруді, вібрація конструкцій.Якщо відомі розрахункова швидкість вітру, його поривчастість, профіль вітру по висоті, імовірність вітрів різної сили й "роза вітрів", може бути встановлена дія вітру на проектовану повітряну лінію.
Таким чином, швидкісний напір можна уявити що складається з відповідної середньої швидкості основного повітряного потоку, і змінної, обумовленою пульсаціями.
Динамічний вплив пульсацій і пов'язаних з ними поривів вітру проявляється тим більше, чим більше період власних (вільних) коливань спорудження, і в практиці проектування повітряних ліній ураховується при розрахунках конструкцій високих металевих і залізобетонних опор з періодом власних коливань більш 0,25 сек. Для цього обчислені або наведені в будівельних нормах і ПУЕ величини постійної, що складає швидкісного напору множаться на динамічний коефіцієнт, що залежить від пульсацій швидкісного напору й від динамічних характеристик споруди.
При впливі вітру на проводи динамічний ефект пульсацій швидкісного напору в загальному випадку не спостерігається. Це пояснюється дуже малою жорсткістю проводів, а також тим, що пульсації швидкості вітру на різних ділянках проводу (прольоту) не мають одночасно найбільшої величини, завдяки чому не можуть суттєво змінити постійну, що складає швидкісного напору.
У приземному шарі атмосфери швидкість вітру змінюється з висотою за логарифмічним законом.
Для опор ПЛ головне значення має горизонтальна складова вітру, виправлення й швидкість якої реєструються при спостереженнях і надалі приймаються в якості вихідних даних при визначенні розрахункових горизонтальних навантажень. Безпосереднім впливом вітру на роботу повітряної лінії є його тиск на проводи, троси й опори. Крім того, створюючи поперечне навантаження на проводи й троси, вітер збільшує їхній натяг. Більше вітрове навантаження на проводи й опори може викликати поломку й падіння опор іноді з вириванням недостатньо міцно укріплених у ґрунті фундаментів.
Розрахунки механічної міцності опор і проводів повітряних ліній звичайно проводять для випадків дії вітру при більших швидкостях (25-30 м/сек і більш), коли повітряний потік стає неоднорідним по своїй будові й спостерігаються пориви вітру. Частки повітря роблять турбулентний рух, що приводить до пульсації швидкісного напору.
Таким чином, уточнення вітрового навантаження, прийнятої при розрахунках ПЛ, можливо за рахунок уточнення швидкості вітру. Облік місцевих метеорологічних даних про швидкість вітру дає можливість досить просто уточнити вітрове навантаження, як правило, убік її зниження в порівнянні з діючими нормами. Для уточнення вітрового навантаження суттєво важливий вибір метеостанції й облік фактичних умов виміру швидкості вітру. Ці питання можуть бути кваліфіковано вирішені тільки фахівцями із прикладної кліматології. Тому основні вихідні дані про швидкості вітру слід одержувати тільки від організацій Госкомгідромета.
Для проводів ПЛ іній і кристалічна паморозь не являють істотного додаткового навантаження й не впливають на їхню механічну міцність.
До значно більш тяжких умов роботи проводів може привести утворення зернистої паморозі, ожеледі або їх суміші.
Зерниста паморозь - снігоподібний пухкий лід, що наростає з навітряної сторони проводів у мрячну, переважно вітряну погоду, особливо в горах. Відкладання зернистої паморозі може досягати в товщину багатьох сантиметрів, володіючи достатньою міцністю: її об'ємна щільність може досягати 0,4 г/см3.
Ожеледь - шар щільного льоду (мостового або прозорого), що наростає на проводах переважно з навітряної сторони від намерзання крапель переохолодженого дощу або мряки. Звичайно спостерігається при температурі від 0 до -3°С, рідше при більш низьких, аж до -16°С. Кірка намерзлого льоду може досягтися товщини декількох сантиметрів залежно від кількості адсорбованого повітря коливається в межах 0,6-0,9 г/см3.
Паморозь й ожеледь звичайно бувають односторонніми. Ожеледь й щільні паморозі міцно втримуються на проводах.
На проводи, покриті памороззю, ожеледдю або обліплені снігом, діє більше додаткове вертикальне навантаження й збільшується площа, на яку давить вітер.
Утворення паморозі відбувається найбільше часто при температурі повітря й проводу близько - 5°С. Повітря повинен бути насичений дрібними частками переохолодженої води (туман). Переохолоджені частки води, стикаючись із проводами, що мають температуру нижче 0°С, кристалізуються, утворюючи паморозь. Значна кількість паморозі на проводах осаджується при великій вологості повітря й вітрі, що наносить на проводи частки води. При вітрі, спрямованому перпендикулярно лінії, паморозь починає відкладатися на навітряній (підвітряній) частині про-вода. Поверхня проводу, покрита памороззю, збільшується за рахунок провертання проводу під дією ваги паморозі.
При напрямку вітру уздовж лінії провод покривається паморозью рівномірно по всій поверхні.
На проводах повітряних ліній спостерігаються змішані явища, наприклад, на ожеледь наростає паморозь, а вільний простор між голками паморозі заповнюються снігом і т.п. У значних кількостях на проводах може втримуватися тільки мокрий сніг, сухий сніг зсипається із проводів.
Великі ожеледні відкладання спостерігаються в зоні змішання двох мас повітря з різними температурами (холодний й теплий фронт). У цій зоні відбувається інтенсивна конденсація водяного пару, що перебуває в більш теплому повітрі. Велика кількість крапель переохолодженої води, що наноситься на проводи, утворюэ ожеледні відкладання значної ваги, що приводять іноді до ушкодження ліній.
Інтенсивність і частота повторюваності паморозі і ожеледі залежать від позначки місцевості над рівнем моря. Чим вище відмітка місцевості, тем частіше й інтенсивніше утворюється ожеледь.
На лініях водних поверхонь, що проходять поблизу великих (моря, озера й т.п.), слід очікувати більш сильних і частих ожеледій; випари із цих поверхонь наносяться на проводи. Відзначимо, що вплив морів позначається не тільки на їхніх берегах, воно поширюється на десятки й сотні кілометрів.
Кількість паморозі й ожеледі, що утворюються на проводах, залежить від місцевих кліматичних умов. Наприклад, у центральній частині України ожеледі відкладання спостерігаються порівняно рідко й вага їх на проводах 0,5 - 1 кг/м довжини проводу. У деяких районах Донбасу ожеледь і паморозь представляють звичайні явища, а вага відкладень на проводах досягає 2 - 5 кг/м довжини проводу.
Розміри зернистої паморозі на проводах у гірських районах іноді досягають 150-200 мм у діаметрі, а на відкритих вершинах значно більше. Тривалість знаходження паморозі на проводах може досягати 10 діб й більше. Зерниста паморозь міцно зчіплюється із проводом і своїми розмірами дуже збільшує парусність, що при поперечному вітрі приведе до значних, а іноді до катастрофічних навантажень для опор і проводів повітряної лінії.
Максимальний розмір ожеледі в діаметрі в деяких районах досягає 50-60 мм. Час утворення ожеледі, по деяким спостереженням, коливається від декількох годин до декількох діб, а тривалість його знаходження на проводах - до 15 діб, залежно від температури повітря. При великій товщині шару вага ожеледі може в багато разів перевищити вагу самого проводу, а збільшення парусності привести до значного збільшення вітрового тиску.
Товщина суміші ожеледі з памороззю в деяких випадках у гірських і передгірних районах досягає 70 мм, а при нашаруваннях, що чергуються, може бути вдвічі більше. Об'ємна вага суміші залежить від кількісного співвідношення паморозі й ожеледі й буває в межах від 0,2 до 0,6 г/см3. У гірських і передгірних районах об'ємна вага суміші може бути прийнято в середньому рівним 0,35, а в рівнинних - 0,2 г/см3.
Наростання суміші відбувається в плині декількох доби, іноді з перервами в часі. Знаходження її на проводах у деяких районах відзначалося в перебігу 40 діб.
До зледеніння проводів і тросів може привести також налипання мокрого снігу. Такий сніг випадає звичайно при температурі в приосадкуватому шарі повітря до + 1°С. Снігопад може тривати цілодобово. У тиху, безвітряну погоду сніг, осідаючи на проводах, поступово покриває їхнім більшим шаром. Якщо в процесі снігопаду при відсутності вітру температура воздуху понизиться й перейде до негативних значень, то налиплий на проведенні вологий сніг почне замерзати. При суцільному замерзанні структура його стає кристалічною, утворюючи міцне зчеплення із проводом (примерзання); такий сніг не обпадає при вітрі.
Об'ємна вага замерзлого снігу становить від 0,1 до 0,5 г/см3, тобто менше, чим чистої ожеледі, але розміри його на проводах можуть бути дуже більшими, що створює більше вертикальне навантаження для проводів. Примерзлий до проводу сніг діаметром 20-30, а іноді 50 мм збільшує парусність проводу. Тому при поперечному вітрі провод може одержувати більше горизонтальне навантаження, що в комбінації з вагою снігу створює не менш тяжкі умови роботи повітряної лінії, чим при ожеледі. Промерзлий сніг утримується на проводах кілька днів, а потім обпадає при підвищенні температури.
Паморозь, ожеледь і сніг можуть також відкладати й на опорах повітряної лінії, і при більших розмірах створювати своєю вагою навантаження на стрижні опор.
У більшості районів України спостерігається легка кристалічна паморозь, а ожеледь і суміш бувають незначної товщини. Сильні ожеледі спостерігаються в Западай Україні, Криму, Донбасі. Найбільш несприятливі умови створюються при розташуванні траси повітряної лінії на відкритих вершинах гірських хребтів, доступних вітру будьякого напрямку, а також при розташуванні на навітряних схилах.
Спостереження над зледенінням проводів проводяться на метеорологічних станціях як візуально, так і за допомогою відповідних інструментів і приладів з безперервною реєстрацією (самописців). Візуальні спостереження дозволяють визначити загальний характер зледеніння й тривалість його в місці розташування метеостанції й у прилягаючому до неї районі. Інструментальні спостереження проводяться тільки над тими видами зледеніння, які можуть створити істотне навантаження для проводів повітряних ліній (ожеледь, зерниста паморозь, суміш, мокрий сніг). При інструментальних спостереженнях визначається не тільки зовнішній вигляд, інтенсивність і тривалість зледеніння, а також розміри й вага відкладання льоду. Для виміру відкладань застосовують ожеледний верстат.
Крім спостереження на метеорологічних і дослідно-дослідницьких станціях, проводяться спостереження над зледенінням проводів на діючих лініях електропередачі й зв'язку, при яких відзначається характер впливу ожеледі на конструкції повітряних ліній (обрив проводу, ушкодження й руйнування опор і ін.). До цих спостережень залучаються лінійні працівники відомств, що експлуатують лінії електропередачі й зв'язку, а також інші зацікавлені організації.
Для приведення розмірів і форм різних відкладань ожеледі використовуються дані метеостанцій, енергосистем і відомств зв'язку, а також іноді дані спеціальних спостережень, поставлених при вишукуваннях траси повітряної лінії. Якщо відомості є тільки про вид відкладання і його розмірах, то при перерахунках доводиться ухвалювати його об'ємну вагу стосовно даному виду в межах, які були зазначені вище. Вибір значення об'ємної ваги, звичайно, далеко не завжди можна зробити точно, і деяка погрішність при такому способі неминуча. Більш точні результати можна одержати, якщо при спостереженні була визначена вага відкладання, віднесена до 1 м довжини проводу. Приведення відкладань паморозі, суміші й закляклого мокрого снігу до більш щільної чистої ожеледі із гладкою поверхнею неминуче супроводжується зменшенням дійсної парусності закляклого проводу, яка залежить не тільки від розмірів, але й від форми поперечного переріза й стану поверхні відкладання. Однак це зменшення компенсується розрахунковою швидкістю вітру при ожеледі, збільшеної в порівнянні з дійсною швидкістю при утворенні інших видів відкладань.
При аналізі дійсної роботи повітряних ліній потрібно враховувати розміри відкладань і можливість їх комбінації із сильними вітрами, а також частоту такого збігу двох явищ.
На метеостанціях (використовується ожеледний верстат) спостереження звичайно проводяться на коротких проводах або стрижнях діаметром 5 мм, підвішених на висоті близько 2 м над землею. Проводи ж повітряних ліній підвішуються з більшими прольотами; вони мають у багатьох випадках значно більші діаметри й розташовуються на більшій висоті. Відмінність у діаметрах і положенні проводу повітряної лінії й дослідного зразка створює неоднакові умови для зледеніння. Спеціальні спостереження й дослідження показують, що товщина стінки наведеної ожеледі залежить від діаметра проводу й висоти його підвіски: зменшується при збільшенні діаметра й збільшується при збільшенні висоти над землею. Тому розрахункова товщина стінки циліндричної круглої ожеледі на проведенні повітряної лінії повинна бути визначена з урахуванням поправочних коефіцієнтів на діаметр і висоту.
Вплив діаметра проводу помітно позначається при слабкой ожеледі. Наприклад, при діаметрі проводу 30 мм товщина стінки приведенної ожеледі буде в півтора раза менше наведеної товщини на дослідному зразку діаметром 5 мм. При сильній ожеледі ця різниця буде значно менше. Більш істотний вплив має збільшення висоти розташування проводу над землею. При збільшенні висоти зростає швидкість вітру й збільшується вологовміст ожеледного потоку, тобто повітряного потоку, що несе переохолоджені краплі води. У Нормах наведена товщина стінки ожеледі округляється до значення, кратного п'яти.
При складанні карти розрахункових ожеледних районів прийнятий поправочний коефіцієнт на висоту ДО = 0,8-2,0 при зміні висоти від 5 до 100 м, поправочний коефіцієнт на діаметр проводу - так μ1 = 1,1-0,6 при зміні діаметра від 5 до 70 мм, по від-носінню до величин стінок ожеледі, отриманим на гідрометеорологічних станціях і наведеним до питомої ваги 0,9 г/см3.
Товщина стінки ожеледі наведена до діаметра проводу 10 мм при повторюваності 1 раз в 5 років, розташованого на висоті 10 м над поверхнею землі.
Прийнята в розрахунках товщина стінки ожеледі для повторюваності 1 раз в 5 і 10 років повинна бути не менш 5 мм, а для повторюваності 1 раз в 15 років - не менш 10 мм.
При висоті розташування наведеного центру ваги проводу до 25 м поправки на товщину стінки ожеледі залежно від висоти й діаметра проводів і тросів не вводяться.
Зміна температури в перебігу доби називається добовим ходом температури, а у перебігу року – річним ходом температури.
Добовий хід температури характеризується величинами температури, зазначеними в певний термін спостережень у перебігу доби, у тому числі максимальними й мінімальними значеннями й різницею між ними, яка називається добовою амплітудою температури повітря.
Річний хід температури звичайно характеризується її багато-літніми середніми місцевими величинами, по яких можна визначити величину середньорічної температури.
На метеорологічних станціях для виміру температури повітря користуються рідинними ртутними або спиртовими термометрами. Для фіксування найвищої й найнижчої температури між термінами спостережень застосовують спеціальні рідинні термометри: ртутний максимальний і спиртовий мінімальний. Для безперервної реєстрації зміни температури повітря застосовують самописи термографи - біметалічний і рідинний. Вимір температури повітря термометрами й реєстрація самописами термографами проводиться на висоті 2 м від землі. З метою виключення безпосереднього впливу на показання приладів сонячних променів, атмосферних опадів і вітру прилади поміщають у психрометричній будці. Звичайно такій будці перебуває психрометрична установка, що полягає із приладів для визначення температури й вологості повітря. Для визначення крайніх або інших значень температур можуть бути використані кліматологічні карти розподілу температур, складання за багаторічним даними.
У всіх випадках швидкісний напір вітру при ожеледі необхідно ухвалювати не більш 30 кг/м2.
В окремих районах України, де відзначені підвищені швидкості вітру при ожеледі або де їх можна чекати, а також у районах, де можлива комбінація значних швидкостей вітру з більшими ожеледними відкладаннями із щільністю менш 0,9 г/см3, нормативні значення швидкісного напору вітру й товщини стінки ожеледі повинні бути прийняті відповідно до даних про фактично спостережувані розміри ожеледі й швидкості вітру при ожеледі.
Розрахунки ПЛ по аварійному режиму роботи необхідно виконувати для наступних комбінацій кліматичних умов:
Таким чином, швидкісний напір можна уявити що складається з відповідної середньої швидкості основного повітряного потоку, і змінної, обумовленою пульсаціями.
Динамічний вплив пульсацій і пов'язаних з ними поривів вітру проявляється тим більше, чим більше період власних (вільних) коливань спорудження, і в практиці проектування повітряних ліній ураховується при розрахунках конструкцій високих металевих і залізобетонних опор з періодом власних коливань більш 0,25 сек. Для цього обчислені або наведені в будівельних нормах і ПУЕ величини постійної, що складає швидкісного напору множаться на динамічний коефіцієнт, що залежить від пульсацій швидкісного напору й від динамічних характеристик споруди.
При впливі вітру на проводи динамічний ефект пульсацій швидкісного напору в загальному випадку не спостерігається. Це пояснюється дуже малою жорсткістю проводів, а також тим, що пульсації швидкості вітру на різних ділянках проводу (прольоту) не мають одночасно найбільшої величини, завдяки чому не можуть суттєво змінити постійну, що складає швидкісного напору.
У приземному шарі атмосфери швидкість вітру змінюється з висотою за логарифмічним законом.
Для опор ПЛ головне значення має горизонтальна складова вітру, виправлення й швидкість якої реєструються при спостереженнях і надалі приймаються в якості вихідних даних при визначенні розрахункових горизонтальних навантажень. Безпосереднім впливом вітру на роботу повітряної лінії є його тиск на проводи, троси й опори. Крім того, створюючи поперечне навантаження на проводи й троси, вітер збільшує їхній натяг. Більше вітрове навантаження на проводи й опори може викликати поломку й падіння опор іноді з вириванням недостатньо міцно укріплених у ґрунті фундаментів.
Розрахунки механічної міцності опор і проводів повітряних ліній звичайно проводять для випадків дії вітру при більших швидкостях (25-30 м/сек і більш), коли повітряний потік стає неоднорідним по своїй будові й спостерігаються пориви вітру. Частки повітря роблять турбулентний рух, що приводить до пульсації швидкісного напору.
Таким чином, уточнення вітрового навантаження, прийнятої при розрахунках ПЛ, можливо за рахунок уточнення швидкості вітру. Облік місцевих метеорологічних даних про швидкість вітру дає можливість досить просто уточнити вітрове навантаження, як правило, убік її зниження в порівнянні з діючими нормами. Для уточнення вітрового навантаження суттєво важливий вибір метеостанції й облік фактичних умов виміру швидкості вітру. Ці питання можуть бути кваліфіковано вирішені тільки фахівцями із прикладної кліматології. Тому основні вихідні дані про швидкості вітру слід одержувати тільки від організацій Госкомгідромета.
Навантаження від ожеледі
До числа ожеледних утворів належать іній, кристалічна й зерниста з-морозь, ожеледь і змішані утворення з ожеледі й паморозі.Для проводів ПЛ іній і кристалічна паморозь не являють істотного додаткового навантаження й не впливають на їхню механічну міцність.
До значно більш тяжких умов роботи проводів може привести утворення зернистої паморозі, ожеледі або їх суміші.
Зерниста паморозь - снігоподібний пухкий лід, що наростає з навітряної сторони проводів у мрячну, переважно вітряну погоду, особливо в горах. Відкладання зернистої паморозі може досягати в товщину багатьох сантиметрів, володіючи достатньою міцністю: її об'ємна щільність може досягати 0,4 г/см3.
Ожеледь - шар щільного льоду (мостового або прозорого), що наростає на проводах переважно з навітряної сторони від намерзання крапель переохолодженого дощу або мряки. Звичайно спостерігається при температурі від 0 до -3°С, рідше при більш низьких, аж до -16°С. Кірка намерзлого льоду може досягтися товщини декількох сантиметрів залежно від кількості адсорбованого повітря коливається в межах 0,6-0,9 г/см3.
Паморозь й ожеледь звичайно бувають односторонніми. Ожеледь й щільні паморозі міцно втримуються на проводах.
На проводи, покриті памороззю, ожеледдю або обліплені снігом, діє більше додаткове вертикальне навантаження й збільшується площа, на яку давить вітер.
Утворення паморозі відбувається найбільше часто при температурі повітря й проводу близько - 5°С. Повітря повинен бути насичений дрібними частками переохолодженої води (туман). Переохолоджені частки води, стикаючись із проводами, що мають температуру нижче 0°С, кристалізуються, утворюючи паморозь. Значна кількість паморозі на проводах осаджується при великій вологості повітря й вітрі, що наносить на проводи частки води. При вітрі, спрямованому перпендикулярно лінії, паморозь починає відкладатися на навітряній (підвітряній) частині про-вода. Поверхня проводу, покрита памороззю, збільшується за рахунок провертання проводу під дією ваги паморозі.
При напрямку вітру уздовж лінії провод покривається паморозью рівномірно по всій поверхні.
На проводах повітряних ліній спостерігаються змішані явища, наприклад, на ожеледь наростає паморозь, а вільний простор між голками паморозі заповнюються снігом і т.п. У значних кількостях на проводах може втримуватися тільки мокрий сніг, сухий сніг зсипається із проводів.
Великі ожеледні відкладання спостерігаються в зоні змішання двох мас повітря з різними температурами (холодний й теплий фронт). У цій зоні відбувається інтенсивна конденсація водяного пару, що перебуває в більш теплому повітрі. Велика кількість крапель переохолодженої води, що наноситься на проводи, утворюэ ожеледні відкладання значної ваги, що приводять іноді до ушкодження ліній.
Інтенсивність і частота повторюваності паморозі і ожеледі залежать від позначки місцевості над рівнем моря. Чим вище відмітка місцевості, тем частіше й інтенсивніше утворюється ожеледь.
На лініях водних поверхонь, що проходять поблизу великих (моря, озера й т.п.), слід очікувати більш сильних і частих ожеледій; випари із цих поверхонь наносяться на проводи. Відзначимо, що вплив морів позначається не тільки на їхніх берегах, воно поширюється на десятки й сотні кілометрів.
Кількість паморозі й ожеледі, що утворюються на проводах, залежить від місцевих кліматичних умов. Наприклад, у центральній частині України ожеледі відкладання спостерігаються порівняно рідко й вага їх на проводах 0,5 - 1 кг/м довжини проводу. У деяких районах Донбасу ожеледь і паморозь представляють звичайні явища, а вага відкладень на проводах досягає 2 - 5 кг/м довжини проводу.
Розміри зернистої паморозі на проводах у гірських районах іноді досягають 150-200 мм у діаметрі, а на відкритих вершинах значно більше. Тривалість знаходження паморозі на проводах може досягати 10 діб й більше. Зерниста паморозь міцно зчіплюється із проводом і своїми розмірами дуже збільшує парусність, що при поперечному вітрі приведе до значних, а іноді до катастрофічних навантажень для опор і проводів повітряної лінії.
Максимальний розмір ожеледі в діаметрі в деяких районах досягає 50-60 мм. Час утворення ожеледі, по деяким спостереженням, коливається від декількох годин до декількох діб, а тривалість його знаходження на проводах - до 15 діб, залежно від температури повітря. При великій товщині шару вага ожеледі може в багато разів перевищити вагу самого проводу, а збільшення парусності привести до значного збільшення вітрового тиску.
Товщина суміші ожеледі з памороззю в деяких випадках у гірських і передгірних районах досягає 70 мм, а при нашаруваннях, що чергуються, може бути вдвічі більше. Об'ємна вага суміші залежить від кількісного співвідношення паморозі й ожеледі й буває в межах від 0,2 до 0,6 г/см3. У гірських і передгірних районах об'ємна вага суміші може бути прийнято в середньому рівним 0,35, а в рівнинних - 0,2 г/см3.
Наростання суміші відбувається в плині декількох доби, іноді з перервами в часі. Знаходження її на проводах у деяких районах відзначалося в перебігу 40 діб.
До зледеніння проводів і тросів може привести також налипання мокрого снігу. Такий сніг випадає звичайно при температурі в приосадкуватому шарі повітря до + 1°С. Снігопад може тривати цілодобово. У тиху, безвітряну погоду сніг, осідаючи на проводах, поступово покриває їхнім більшим шаром. Якщо в процесі снігопаду при відсутності вітру температура воздуху понизиться й перейде до негативних значень, то налиплий на проведенні вологий сніг почне замерзати. При суцільному замерзанні структура його стає кристалічною, утворюючи міцне зчеплення із проводом (примерзання); такий сніг не обпадає при вітрі.
Об'ємна вага замерзлого снігу становить від 0,1 до 0,5 г/см3, тобто менше, чим чистої ожеледі, але розміри його на проводах можуть бути дуже більшими, що створює більше вертикальне навантаження для проводів. Примерзлий до проводу сніг діаметром 20-30, а іноді 50 мм збільшує парусність проводу. Тому при поперечному вітрі провод може одержувати більше горизонтальне навантаження, що в комбінації з вагою снігу створює не менш тяжкі умови роботи повітряної лінії, чим при ожеледі. Промерзлий сніг утримується на проводах кілька днів, а потім обпадає при підвищенні температури.
Паморозь, ожеледь і сніг можуть також відкладати й на опорах повітряної лінії, і при більших розмірах створювати своєю вагою навантаження на стрижні опор.
У більшості районів України спостерігається легка кристалічна паморозь, а ожеледь і суміш бувають незначної товщини. Сильні ожеледі спостерігаються в Западай Україні, Криму, Донбасі. Найбільш несприятливі умови створюються при розташуванні траси повітряної лінії на відкритих вершинах гірських хребтів, доступних вітру будьякого напрямку, а також при розташуванні на навітряних схилах.
Спостереження над зледенінням проводів проводяться на метеорологічних станціях як візуально, так і за допомогою відповідних інструментів і приладів з безперервною реєстрацією (самописців). Візуальні спостереження дозволяють визначити загальний характер зледеніння й тривалість його в місці розташування метеостанції й у прилягаючому до неї районі. Інструментальні спостереження проводяться тільки над тими видами зледеніння, які можуть створити істотне навантаження для проводів повітряних ліній (ожеледь, зерниста паморозь, суміш, мокрий сніг). При інструментальних спостереженнях визначається не тільки зовнішній вигляд, інтенсивність і тривалість зледеніння, а також розміри й вага відкладання льоду. Для виміру відкладань застосовують ожеледний верстат.
Крім спостереження на метеорологічних і дослідно-дослідницьких станціях, проводяться спостереження над зледенінням проводів на діючих лініях електропередачі й зв'язку, при яких відзначається характер впливу ожеледі на конструкції повітряних ліній (обрив проводу, ушкодження й руйнування опор і ін.). До цих спостережень залучаються лінійні працівники відомств, що експлуатують лінії електропередачі й зв'язку, а також інші зацікавлені організації.
Для приведення розмірів і форм різних відкладань ожеледі використовуються дані метеостанцій, енергосистем і відомств зв'язку, а також іноді дані спеціальних спостережень, поставлених при вишукуваннях траси повітряної лінії. Якщо відомості є тільки про вид відкладання і його розмірах, то при перерахунках доводиться ухвалювати його об'ємну вагу стосовно даному виду в межах, які були зазначені вище. Вибір значення об'ємної ваги, звичайно, далеко не завжди можна зробити точно, і деяка погрішність при такому способі неминуча. Більш точні результати можна одержати, якщо при спостереженні була визначена вага відкладання, віднесена до 1 м довжини проводу. Приведення відкладань паморозі, суміші й закляклого мокрого снігу до більш щільної чистої ожеледі із гладкою поверхнею неминуче супроводжується зменшенням дійсної парусності закляклого проводу, яка залежить не тільки від розмірів, але й від форми поперечного переріза й стану поверхні відкладання. Однак це зменшення компенсується розрахунковою швидкістю вітру при ожеледі, збільшеної в порівнянні з дійсною швидкістю при утворенні інших видів відкладань.
При аналізі дійсної роботи повітряних ліній потрібно враховувати розміри відкладань і можливість їх комбінації із сильними вітрами, а також частоту такого збігу двох явищ.
На метеостанціях (використовується ожеледний верстат) спостереження звичайно проводяться на коротких проводах або стрижнях діаметром 5 мм, підвішених на висоті близько 2 м над землею. Проводи ж повітряних ліній підвішуються з більшими прольотами; вони мають у багатьох випадках значно більші діаметри й розташовуються на більшій висоті. Відмінність у діаметрах і положенні проводу повітряної лінії й дослідного зразка створює неоднакові умови для зледеніння. Спеціальні спостереження й дослідження показують, що товщина стінки наведеної ожеледі залежить від діаметра проводу й висоти його підвіски: зменшується при збільшенні діаметра й збільшується при збільшенні висоти над землею. Тому розрахункова товщина стінки циліндричної круглої ожеледі на проведенні повітряної лінії повинна бути визначена з урахуванням поправочних коефіцієнтів на діаметр і висоту.
Вплив діаметра проводу помітно позначається при слабкой ожеледі. Наприклад, при діаметрі проводу 30 мм товщина стінки приведенної ожеледі буде в півтора раза менше наведеної товщини на дослідному зразку діаметром 5 мм. При сильній ожеледі ця різниця буде значно менше. Більш істотний вплив має збільшення висоти розташування проводу над землею. При збільшенні висоти зростає швидкість вітру й збільшується вологовміст ожеледного потоку, тобто повітряного потоку, що несе переохолоджені краплі води. У Нормах наведена товщина стінки ожеледі округляється до значення, кратного п'яти.
При складанні карти розрахункових ожеледних районів прийнятий поправочний коефіцієнт на висоту ДО = 0,8-2,0 при зміні висоти від 5 до 100 м, поправочний коефіцієнт на діаметр проводу - так μ1 = 1,1-0,6 при зміні діаметра від 5 до 70 мм, по від-носінню до величин стінок ожеледі, отриманим на гідрометеорологічних станціях і наведеним до питомої ваги 0,9 г/см3.
Товщина стінки ожеледі наведена до діаметра проводу 10 мм при повторюваності 1 раз в 5 років, розташованого на висоті 10 м над поверхнею землі.
Прийнята в розрахунках товщина стінки ожеледі для повторюваності 1 раз в 5 і 10 років повинна бути не менш 5 мм, а для повторюваності 1 раз в 15 років - не менш 10 мм.
При висоті розташування наведеного центру ваги проводу до 25 м поправки на товщину стінки ожеледі залежно від висоти й діаметра проводів і тросів не вводяться.
Температурні й кліматичні впливи
Величина температури повітря позначається на роботі повітряної лінії внаслідок прямого впливу на ступінь натягу й провисання проводів і тросів. Особливо важливе значення мають величини максимальної, мінімальної й середньорічної температури. Крім того, на роботу лінії впливають комбінації низьких температур з найбільшими швидкостями вітру, а також температура, що супроводжує процес зледенінь і грозовим явищам.Зміна температури в перебігу доби називається добовим ходом температури, а у перебігу року – річним ходом температури.
Добовий хід температури характеризується величинами температури, зазначеними в певний термін спостережень у перебігу доби, у тому числі максимальними й мінімальними значеннями й різницею між ними, яка називається добовою амплітудою температури повітря.
Річний хід температури звичайно характеризується її багато-літніми середніми місцевими величинами, по яких можна визначити величину середньорічної температури.
На метеорологічних станціях для виміру температури повітря користуються рідинними ртутними або спиртовими термометрами. Для фіксування найвищої й найнижчої температури між термінами спостережень застосовують спеціальні рідинні термометри: ртутний максимальний і спиртовий мінімальний. Для безперервної реєстрації зміни температури повітря застосовують самописи термографи - біметалічний і рідинний. Вимір температури повітря термометрами й реєстрація самописами термографами проводиться на висоті 2 м від землі. З метою виключення безпосереднього впливу на показання приладів сонячних променів, атмосферних опадів і вітру прилади поміщають у психрометричній будці. Звичайно такій будці перебуває психрометрична установка, що полягає із приладів для визначення температури й вологості повітря. Для визначення крайніх або інших значень температур можуть бути використані кліматологічні карти розподілу температур, складання за багаторічним даними.
Розрахункові режими роботи ПЛ
Розрахунки ПЛ по нормальному режиму роботи (проводи й троси не обірвані) необхідно робити для наступних комбінацій кліматичних умов:- вища температура, вітер і ожеледь відсутні;
- нижча температура, вітер і ожеледь відсутні;
- середньорічна температура, вітер і ожеледь відсутні;
- проведення й троси покриті ожеледдю, температура мінус 5°С, вітер відсутній;
- максимальний нормативний швидкісний напір вітру gmax, температура мінус 5°С, вітер відсутній;
- проведення й троси покриті ожеледдю, температура мінус 5°С, швидкісний напір вітру 0,25 gmax (швидкість вітру 0,5 Vmax). У районах з товщиною стінки ожеледі 15 мм і більш швидкісний пір-на-пор вітру при ожеледі повинен бути не менш 14 кг/м2 (швидкість вітру - не менш 15 м/с).
У всіх випадках швидкісний напір вітру при ожеледі необхідно ухвалювати не більш 30 кг/м2.
В окремих районах України, де відзначені підвищені швидкості вітру при ожеледі або де їх можна чекати, а також у районах, де можлива комбінація значних швидкостей вітру з більшими ожеледними відкладаннями із щільністю менш 0,9 г/см3, нормативні значення швидкісного напору вітру й товщини стінки ожеледі повинні бути прийняті відповідно до даних про фактично спостережувані розміри ожеледі й швидкості вітру при ожеледі.
Розрахунки ПЛ по аварійному режиму роботи необхідно виконувати для наступних комбінацій кліматичних умов:
- середньорічна температура t9, вітер і ожеледь відсутні;
- нижча температура tmin, вітер і ожеледь відсутні;
- проведення й троси покриті ожеледдю, температура мінус 5°С, вітер відсутній.
- При перевірці опор ПЛ за умовами монтажу необхідно ухвалювати наступні комбінації кліматичних умов: температура мінус 15°С, швидкісний напір вітру на висоті до 15 м від землі 6,25 кг/м2, ожеледь відсутній.
- При робочій напрузі: максимальний нормативний швидкісний напір вітру gmax, температура мінус 5°З.
- При грозових і внутрішніх перенапругах: температура плюс 15°С, швидкісний напір g = 0,1 gmax (V = 0.3 Vmax ), але не менш 6,25 кг/м2.
- Для полегшення безпечного підйому на опору під напругою, температура мінус 15°С, вітер і ожеледь відсутні. Значення gmax приймається таким же, як для визначення вітрового навантаження на проводи.