Изучение влияния гололедных и ветровых нагрузок на механическую прочность воздушных линий

Изучение влияния гололедных и ветровых нагрузок на механическую прочность воздушных линий

Цель работы

Изучить влияние гололедных и ветровых нагрузок на механическую прочность воздушных линий и способы борьбы с гололедом и вибрациями проводов.

Общие сведения

Провода и тросы воздушных линий подвергаются воздействию ветра, гололеда, химических реагентов, находящихся в воздухе, изменениям температуры. Эти воздействия приводят к появлению больших механических напряжений в проводах и тросах, а иногда и к разрушению.

При определенных атмосферных условия (обычно при температуре воздуха и провода около -5°С) на проводах воздушных линий образуется изморозь или гололед. Кроме того, провода, покрытые изморозью или гололедом, еще облепляются снегом. Все это приводит к появлению добавочных вертикальных нагрузок, а увеличение поверхности провода приводит к увеличению давления ветра.

Изморозь представляет собой белый рыхлый непрозрачный кристаллический осадок. Объемный вес изморози обычно составляет 0,05 - 0,6 г/см . Образование изморози происходит чаще всего при температуре воздуха около минус 5°С, когда кристаллизую тс я мельчайшие частицы переохлажденной воды (туман), при соприкосновении с проводами, имеющими температуру ниже 0*0. Чем больше влажность при наличии ветра, тем более значительное количество изморози осаждается на проводах. Изморозь откладывается на проводах равномерно по всей поверхности, если ветер направлен вдоль линии, или на наветренной (подветренной) части провода при ветре, направленном перпендикулярно линии. В последнем случае за счет проворачивания провода под действием ветра и веса изморози происходит более интенсивное ее отложение на проводах.

Гололед - более плотное, образование льда с объемным весом 0,6 ^к 0.9 г/см. Образование гололеда также чаше всего происходит при температуре воздуха около минус 5° С и выпадении более крупных капель переохлажденной воды. Капли воды не могут мгновенно кристаллизоваться, поэтому, растекаясь по проводу, замерзают и образуют гололедные отложения.

На проводах может откладываться и длительно удерживаться гололед, изморозь и мокрый снег. Обычно на проводах воздушных линий откладывается не чистый гололед, а смесь гололеда с изморозью и снегом. На проводах может откладываться и длительно удерживаться гололед, изморозь и мокрый снег. Обычно на проводах воздушных линий откладывается не чистый гололед, а смесь гололеда с изморозью и снегом.

Например, на гололед нарастает изморозь, а свободные пространства между иглами изморози заполняются снегом.

Наиболее благоприятными условиями образования гололедно-изморозевых отложений является смешение двух масс воздуха с разными температурами (встреча теплого фронта с холодным). В этой зоне смешения двух фронтов воздуха с разными температурами происходит интенсивная конденсация водяного пара, находящегося в более теплом воздухе.

Интенсивность и частота повторяемости изморозей и гололедов зависят от высоты данной местности над уровнем моря, от расположенности местности вблизи больших водных поверхностей, от местных климатических условий.

Согласно Правилам устройства электроустановок гололедные нагрузки на провода и тросы определяются, исходя из толщины гололеда, приведенного к цилиндрической форме с удельным весом 0.9 г/см (нормативная толщина стенки гололеда).

При превышении допустимого значения напряжения происходит обрыв проводов. Иногда после интенсивного гололедообразования на проводах происходят и более тяжелые аварии: разрушаются траверсы опор или даже сами опоры воздушных линий.

Гололед на воздушных линиях удаляется или путем сбивания (скалывания) штангами и другими предметами или путем плавления электрическим током. При удалении гололеда любым методом требуется как правило, отключение линий с двух сторон с установкой "закороток" и заземлений.

Механическое удаление чаще всего используются в том случае, если гололедом покрыты провода на небольших участках или когда гололед в данной местности образуется редко.

В местностях, где гололедообразование наблюдается систематически и к тому же приводит к вибрациям или "пляске" проводов, для удаления гололеда предусматривается целая система мер, включая' плавление гололеда электрическим током.

Дополнительную нагрузку на провода, тросы и опоры создает давление ветра, которое примерно пропорционально квадрату скорости ветра. При этом увеличивается натяжение по проводам, появляются значительные силы, действующие на опоры.

Согласно ПУЭ нормативное давление Р ветра на провода и тросы определяется по формуле:

Р = a*Cx*QFsinᵩ,

Где, Q = V^2/16 - нормативный скоростной напор ветра;

V - скорость ветра;

Р - площадь диаметрального сечения;

Сх - коэффициент лобового сопротивления; a - коэффициент, учитывающий неравномерность скорости ветра по пролету;

ᵩ- угол между направлением ветра и осью воздушной линии.

Величины наибольших нормативных скоростных напоров ветра на высоте 10 м от земли согласно ПУЭ.

Дополнительная нагрузка на опоры, провода и тросы, создаваемая давлением ветра, учитывается при проектировании в соответствии с расчетными климатическими условиями. Кроме давления, ветер опасен тем, что под действием ветра возможны колебания проводов, приводящие к их разрушению. Колебания проводов разделяют на вибрации - высокочастотные колебания порядка десятков герц и "пляску" - низкочастотные колебания в 0,5 -2 Гц с большими амплитудами.

Вибрация проводов - это стоячие продольные волны, в вертикальной плоскости с частотой колебания от 5 до 50 Гц и длиной волны от 0,3 до десятков метров. При этом амплитуда колебаний доходит до нескольких сантиметров. Наиболее интенсивная вибрация наблюдается при небольших скоростях ветра от 0,5— 0,8 до 8-10м/с. С увеличением диаметра провода и длины пролета интенсивность вибрации возрастает. Вибрация возникает при равномерном движении воздуха по всей длине пролета. Равномерность движения воздуха обусловливает симметричное периодическое чередование вихрей за проводом, что приводит к попеременному действию сил на провод то вниз, то вверх. Наоборот, при больших скоростях ветра вибрация проводов не наблюдается. Это объясняется тем , что поток воздуха при большой его скорости имеет турбулентное строение, что приводит к нарушению образования симметричных вихрей за проводом.

Вибрация проводов приводит к их разрушению. Особенно быстро происходит излом проволок провода у зажимов, которыми провод крепится к изоляторам. Разрушение проволок проводов вызывается усталостью металла после многократных и резких изгибов, кроме того, во время вибрации материал проводов получает дополнительные напряжения изгиба и растяжения.

Против вибрации проводов и тросов применяется усиление провода в месте его закрепления и подвеска к проводам виброгасителей.

Усиление провода в месте закрепления производится специальными армировочными прутками (проволока, имеющий на концах конусную конфигурацию ) или обычными проволочными прутками из того же металла, что и провод. Провод, усиленный армировочными прутками в месте закрепления, получает менее резкие изгибы. При этом уменьшаются добавочные напряжения материала проволок, увеличивается продолжительность работы проводов без излома проволок.

Виброгаситель состоит из двух грузов, соединенных стальным тросом. Колебания провода гасятся за счет поглощения энергии между отдельными проволоками соединительного троса.

Вес виброгасителей составляет от 3 до 10 кг и более.

Несмотря на увели чение стоимости при применении виброгасителей значительно увеличивается срок работы проводов на линиях.

Колебания проводов с большой амплитудой "Пляска" 1 явление более сложное. Обычно "пляска" проводов и тросов наблюдается при отложении на проводах гололеда, как правило, явно выраженного одностороннего отложения гололеда и ветре 5-20 м/с под углом 30-90* к оси линии.

"Пляска" проводов вызывается аэродинамическими силами, возникающими при обтекании воздушным потоком обледенелых проводов, имеющих неправильную форму сечения. Таким образом, "пляска" проводов - это самовозбуждающиеся колебания (автоколебания), когда система сама управляет поступлением энергии извне.

"Пляска" проводов может быть различной даже в одном пролете. Так, например, наблюдалась "пляска"- одного провода о одной полуволной в пролете (провод опускается и поднимается- в середине пролета со стрелой веса около четырех метров) и двух других проводов о двумя и четырьмя волнами и двойной амплитудой соответственно 5-6 и 2-3 метра.

Наблюдались случаи "пляски" не только в верти-, калькой, но и в горизонтальной плоскости. "Пляска" проводов приводит к схлестыванию проводов, а также к быстрому их разрушению из-за циклических перегрузок. Проблема борьбы с "пляской" проводов и ее последствиями еще не разрешена, но в литературе уже имеется ряд рекомендаций. Борьба с "пляской" прополов может вестись путем ее предотвращения или снижения вероятности повреждений (схлестывания проводов и их замыкания) в результате "пляски" проводов. К мерам борьбы против "пляски" проводов относится демпфирование колебаний и плавка гололеда. К мерам снижения вероятности повреждения относится выбор габаритов опор, предотвращающих схлестывание проводов с тросами и проводов между собой. Наиболее эффективным средством является плавка гололеда, так как в результате плавки гололедного отложения восстанавливается аэродинамически устойчивая круглая форма провода. Деформирование колебаний путем изменения механических характеристик провода к пролете (изменение стрелы провеса, веса провода или длины пролета) в настоящее время считаемся мало эффективным.