Защита шлейфов аппаратных спусков с применением арматуры спирального типа

Виноградов А. А., Платонова И. А., Рыжов С. В.

Шлейфы аппаратных спусков на подстанциях 330-750 кВ в России выполняются либо в виде пучка расщепленных проводов, либо полым проводом марки ПА. И в том, и в другом случаях наблюдаются повреждения шлейфов из-за усталостных изломов проволок, возникающих при раскачивании спусков ветром. Аппаратные спуски, выполненные полым проводом ПА, страдают особенно часто. Повреждения чаще происходят в степных районах, где мало растительности и нет защиты от ветровых воздействий. Здесь срок службы шлейфов составляет в среднем не более 10-12 лет. Пример усталостного излома провода ПА 640 представлен на рис. 1.
Проблема преждевременного износа шлейфов аппаратных спусков сделала актуальными исследование поведения шлейфа под воздействием ветра и разработку средств защиты. Очевидно, что из всех возникающих в реальных условиях направлений ветра наиболее опасным, с точки зрения накопления усталостных явлений в полом проводе, является направление ветра, вызывающее отклонение провода из плоскости начального провисания. Отклонение шлейфа аппаратного спуска под действием ветра такого направления схематически изображено на рис. 2.
Как показывает опыт эксплуатации, происходящие на подстанциях изломы шлейфов в подавляющем большинстве случаев наблюдаются вблизи выхода провода из аппаратного зажима. Что касается верхней точки крепления шлейфа к проводу сборных шин подстанции (рис. 2), здесь имеется некоторая угловая подвижность, так как тяжение в проводе невелико. Поэтому при дальнейшем рассмотрении эта точка не считается опасной. Таким образом, при создании обсуждаемых далее расчетных схем и моделей основное внимание уделялось максимально точной оценке прогиба провода ПА и изгибных напряжений в нем вблизи точки заделки шлейфа в аппаратный зажим.
Расчет поперечных перемещений провода и возникающих в нем изгибных напряжений под действием ветровой нагрузки. Для более полного воспроизведения формы прогиба шлейфа при его колебаниях и определения на этой основе распределения изгибного напряжения в исследуемой области было решено рассмотреть несколько расчетных схем, показанных на рис. 3. Они позволяют провести корректную оценку формы провода вблизи точки заделки и значений изгибных напряжений, не прибегая к сложным трехмерным моделям.
На рис. 3, а изображено преобразование реальной формы шлейфа в расчетную схему, использованную для анализа колебаний по методике [1]. Эта модель была выбрана потому, что она близка к системе, реализованной при испытаниях. Распределенная ветровая нагрузка заменялась приложением сосредоточенной силы, а шлейф рассматривался как прямолинейный стержень с жестко защемленным концом. При этом собственные частоты для этого расчетного варианта и для реального шлейфа будут, несомненно, различными.
Амплитудное значение прогиба провода под действием силы Р0 можно определить, воспользовавшись известным принципом возможных работ: возможная работа приложенной силы Р0 на перемещении 8biXi приравнивается приращению энергии деформации [1]

Рис. 1. Усталостное разрушение провода ПА 640 в результате ветрового воздействия

Рис. 3. Расчетные схемы

Рис. 2. Раскачивание шлейфа ветром

где Xii - значение нормальной функции Xi в точке (х = xl) приложения силы Р0; U - энергия деформации провода в изогнутом состоянии
(2)
Подставив выражение для энергии деформации (2) в уравнение (1) и произведя некоторые преобразования, можно получить выражение для определения амплитудного значения прогиба стержня
(3)
где
(4)
l - длина провода, м; EI - изгибная жесткость провода, Н • м2; у0 - относительное значение амплитуды прогиба провода в относительных единицах (воздействующая сила ветрового давления подвержена значительным колебаниям, поэтому все оценки амплитуд сделаны в безразмерной форме); kil - i-й корень частотного уравнения. Расчеты выполнялись по пяти первым формам колебаний. Далее приведен последовательный ряд корней частотного уравнения для рассматриваемой модели.

Суммарное динамическое поперечное перемещение провода под действием силы Р = P0cos pt равно
(5)
На рис. 4, а показано распределение амплитуды прогиба в зависимости от продольной координаты х. Максимальное во времени значение возникающего в проводе изгибного напряжения будет иметь распределение по длине провода в соответствии с кривой, представленной на рис. 4, б. Эти величины пропорциональны второй производной прогиба по продольной координате х.
Из рис. 4 видно, что, как и следовало ожидать, наибольшие изгибные напряжения возникают в шлейфе у точки заделки в аппаратный зажим. Значение этих напряжений будет тем больше, чем больше давление ветра.
Так как частоты колебаний шлейфов невелики (обычно менее 0,5 - 1 Гц), инерционные силы малы, была рассмотрена также задача численного определения формы шлейфа и напряжений, возникающих в нем, под действием статической распределенной нагрузки. Расчетная схема для этого случая показана на рис. 3, б. Благодаря ее симметрии алгоритм решения был составлен только для одной половины; при этом вторая половина схемы эквивалентировалась приложением изгибающего момента в точке разрыва (рис. 3, в ).
а - зависимость амплитуды прогиба от продольной координаты х; б - зависимость максимального напряжения в проводе от координаты x
Предложенная модель позволяет учитывать изменение жесткости по длине шлейфа. На ее основе разработана программа, представляющая собой численную процедуру определения формы жесткого стержня от точки к точке на основе метода конечных элементов [2].

Отношение продольной координаты х к длине l, отн. ед.
Рис. 5. Форма отклонения провода ПА 640 под воздействием ветра:
результаты расчета для схемы рис. 3, в; полная длина шлейфа 21 = 12 м; изгибная жесткость провода EI = 900 Н ■ м2; удельная распределенная нагрузка Q = 26 Н/м; 1 - провод без протектора; 2 - изгибная жесткость протектора равна жесткости провода; 3 - изгибная жесткость протектора в 1,5 раза больше жесткости провода; 4 - изгибная жесткость протектора в 2 раза больше жесткости провода

Рис. 6. Распределение изгибного напряжения по длине провода:

Продольная координата х, м б)
Рис. 4. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния шлейфа по схеме рис. 3, а для точки приложения силы х1 = 4 м:

Продольная координата х, м а)
1 - провод без протектора; 2 - изгибная жесткость протектора равна жесткости провода; 3 - изгибная жесткость протектора в 1,5 раза больше жесткости провода; 4 - изгибная жесткость протектора в 2 раза больше жесткости провода

При выполнении расчетов имеется возможность учесть реально воздействующую распределенную (не обязательно неизменную по длине) нагрузку на шлейф и изменение жесткости, связанное с установкой протектора.
При проведении численного эксперимента сопоставлялись изгибные напряжения в полом проводе при отсутствии и при наличии протекторов различной жесткости. Результаты выполненных вычислений для некоторого набора исходных параметров показаны на рис. 5 и 6.
Изменение изгибного напряжения по длине шлейфа близко для обеих предложенных расчетных схем. Можно видеть также, что использование протектора существенно снижает изгибные напряжения, возникающие в точке заделки провода в аппаратный зажим. Данные модели, не претендуя на полноту охвата явления, дают, тем не менее, общее представление о поведении шлейфов аппаратных спусков при их раскачивании ветром.
Разработка протектора для защиты шлейфов и его испытания. Для увеличения жесткости участка полого провода в точке выхода из аппаратного зажима предприятием Электросетьстройпроект разработан специализированный протектор спирального типа (рис. 7). Он навивается на цилиндрическую часть аппаратного зажима и на прилегающий к ней участок провода ПА. Установка такого протектора проста и не требует какого- либо сложного оборудования.

Рис. 7. Защитный протектор, смонтированный на проводе ПА 640

Так как длина корпуса аппаратного зажима невелика, для обеспечения неподвижности спиралей протектора в этой области было решено применить дополнительное крепление. Оно осуществлено посредством трех бандажей из нержавеющей стали, устанавливаемых при помощи специальных монтажных клещей [3]. Конструкция позволяет регулировать изгибную жесткость по длине шлейфа, изменяя длину отдельных проволок.
Диаметр проволок протектора, их число и общая длина протектора были выбраны согласно кривым, изображенным на рис. 6. Полученный расчетным путем скачок изгибного напряжения в проводе у выхода из протектора будет носить гораздо менее выраженный характер, поскольку на последней четверти волны спиралей протектора провод ПА 640 имеет некоторую подвижность относительно протектора.
Для проведения испытаний ресурсной стойкости шлейфа была подготовлена установка ресурсных испытаний, состоявшая из собственно шлейфа, выполненного проводом ПА 640 с разновысокими точками подвеса, и системы возбуждения колебаний. Раскачивание шлейфа инициировалось электроприводом с эксцентриком, т.е. распределенная ветровая нагрузка заменялась локальным воздействием. В своей нижней точке провод был глухо защемлен в макет стандартного аппаратного зажима. Изгибная жесткость протектора была выбрана равной 150% жесткости провода. Амплитуды колебаний выбирались по условию равенства воздействующих на шлейф усилий при отсутствии и при наличии протектора. Результаты ресурсных испытаний приведены далее.

У обоих образцов разрушения проволок происходили вблизи выхода провода из аппаратного зажима.

Рис. 8. Форма прогиба шлейфа с протектором:
■ - эксперимент; □ - расчет
Образец №

Выводы

1. На основе рассмотрения воздействия ветра на шлейфы аппаратных спусков подстанций сверхвысокого напряжения предложены схемы расчета изгибных напряжений и проведены оценки максимальных изгибных напряжений в проводах шлейфов на основе:
   аналитического расчета форм колебаний шлейфа при воздействии сосредоточенной знакопеременной во времени силы. Адекватность примененного метода расчета подтверждается хорошим совпадением рассчитанной формы шлейфа в точке заделки и экспериментально полученной формы шлейфа (при наличии протектора), см. рис. 8;
   численного расчета по созданной программе статической формы шлейфа переменной изгибной жесткости при воздействии распределенной ветровой нагрузки. Данная программа позволяет провести рациональный выбор параметров протектора применительно к различным сечениям проводов и геометрическим размерам шлейфов.
2. Разработана и введена в эксплуатацию установка для экспериментальной оценки жесткости шлейфов и для проведения их ресурсных испытаний. На установке проведены ресурсные испытания шлейфа с проводом ПА 640, эквивалентные возникающим в эксплуатации реальным ветровым воздействиям.
3. Разработан, изготовлен и опробован в монтажном режиме протектор спирального типа для защиты провода ПА 640 в точке его выхода из аппаратного зажима. Параметры протектора выбраны близкими к оптимальным исходя из проведенных расчетов и экспериментальных проверок изгибной жесткости и ресурсной стойкости. Ресурсные испытания выполненного проводом ПА 640 шлейфа с протектором показали, что наличие усиливающего протектора позволяет увеличить ресурсную стойкость шлейфа примерно на порядок. Эти испытания дают возможность сделать заключение об эффективности применения усиливающих протекторов в эксплуатационных условиях.

Список литературы

1. Тимошенко С. П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985.
2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.
3. Каталог на узлы и элементы крепления оптического кабеля. М.: ЭССП, 2000.