РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Воздушная линия электропередачи представляет собой сложную механическую систему, состоящую из следующих компонентов: фундаментов, опор, проводов и грозозащитных тросов, узлов и соединений. Элементами опор являются стойки, траверсы, тросостойки, оттяжки и узлы сопряжения. К элементам узлов и соединений относят узлы крепления изолятора (гирлянды изоляторов) к траверсе, изоляторы (гирлянды изоляторов) и узлы крепления проводов к изоляторам.
Отказ каждого из этих элементов может привести к отказу всей системы, но последствия (развитие аварии, объем восстановления, время перерыва электроснабжения потребителя, затраты, связанные с перерывом электроснабжения и восстановлением работоспособности системы) будут, очевидно, существенно отличаться.
Поэтому основной задачей инженера, проектирующего линию, является выбор наилучшего конструктивного решения с учетом механических параметров системы, стоимости и надежности ее элементов, а также последствий, вызванных отказом каждого элемента.
Расчеты надежности базируются на учете статистической изменчивости нагрузок, воспринимаемых сооружением, и его несущей способности.
Механические нагрузки на элементы ВЛ можно разбить на две категории. К первой категории относятся климатические нагрузки, которые могут быть учтены при проектировании определенными математическими методами с помощью функций распределений. Ко второй категории относятся нагрузки, испытываемые элементами линии при наездах транспорта и механизмов, ледоходах и паводках, падении веток и деревьев на провода, а также дополнительные нагрузки из-за дефектов монтажа, например неправильной регулировки стрел провеса. Такие нагрузки могут значительно отличаться как качественно, так и количественно в различных регионах и могут быть учтены при проектировании только на основании статистических данных путем введения в расчет постоянных коэффициентов. В книге будут рассмотрены только нагрузки первой категории.
В связи с тем, что климатические нагрузки имеют вероятностный характер и подчиняются определенным законам распределения, способы расчета, базирующиеся на применении различных коэффициентов надежности, таких как коэффициенты надежности по нагрузке, по материалу, по назначению и т.п., не дают возможности оценить надежность конструкции.
Длительное время делались попытки вместо регламентированных стандартами показателей надежности нормировать период повторяемости климатических нагрузок. Так, Правилами устройства электроустановок для ВЛ среднего нормирования до 1970 г. регламентировалась пятилетняя повторяемость нормативных нагрузок, после 1970 г. — десятилетняя, а в 1986 г. принята двадцатилетняя повторяемость, но уже расчетных нагрузок. Такой принцип нормирования надежности является ошибочным. Период повторяемости нагрузок не может служить характеристикой надежности.
Надежность конструкции оценивается посредством определения количественных значений показателей надежности. Рассчитывать все показатели, приведенные в (36 ), нет необходимости. Необходимые показатели выбираются в зависимости от решаемой задачи.
Для оценки надежности механической части ВЛ наиболее приемлемыми являются частота отказов и вероятность безотказной работы. Методы их расчета будут рассмотрены ниже.
Определение вероятности безотказной работы основывается на двух предположениях:
- математическая модель, описывающая механическую прочность элемента или конструкции, полностью соответствует действительным условиям работы этого элемента (конструкции);
- изготовление отдельных элементов (конструкций) и монтаж линии электропередачи выполнен в полном соответствии с проектом и с соблюдением действующих технологических норм.
При этом очевидно, что повреждение (отказ) линии (или ее отдельного элемента) произойдет, если внешняя нагрузка вызовет в материале элемента механическое напряжение, превосходящее некоторое предельное значение (общепринято выражение «когда нагрузка превышает прочность»).
Предельное значение напряжения материала задается в зависимости от принятого метода расчета.
В настоящее время наибольшее применение имеют три расчетных метода: допускаемых напряжений, разрушающих нагрузок, предельных состояний.
В методе допускаемых напряжений предельное значение напряжения задается, как правило, в пределах упругих деформаций материала или конструкции, в методе разрушающих нагрузок — близко к пределу текучести для непластичных материалов — к пределу прочности), в методе предельных состояний используется расчетное сопротивление, определяемое как частное от деления нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу.