Ограничения комбинированной нагрузки составных линейных стоек

Высоковольтные изоляторы линейно-столбового типа используются для поддержки и изоляции воздушных линий электропередач уже более 70 лет.Впервые представленные на уровне распределительного напряжения, их использование вскоре было распространено на линии электропередачи, чтобы полностью реализовать потенциал снижения стоимости новых линий, в частности, за счет снижения стоимости конструкции и уменьшения ширины полосы отчуждения (рис. 1). .

Рис. 1. Уменьшение ширины полосы отчуждения с использованием линейных стоек по сравнению с вертикальной гирляндой обычных подвесных изоляторов.

Около 30 лет назад фарфоровые линейные опоры были единственным выбором, доступным проектировщикам линий, который обеспечивал достаточно хорошую службу, за исключением тех случаев, когда хрупкая природа фарфора приводила к катастрофическим отказам каскадной линии [2], [3].

Композитные линейные штыри более гибкие по сравнению с фарфоровыми линейными штырями и, когда они стали доступны, быстро стали предпочтительным изолятором для этого типа применения (рис. 2).Но эта повышенная гибкость приводит к отклонению составной стойки из-за эксплуатационных нагрузок, которые необходимо учитывать для их надлежащего использования (рис. 3).

Комбинированные испытания на нагрузку, в частности испытания на предел прочности, трудновыполнимы, поскольку приложенные нагрузки, которые могут вызвать большие деформации, должны поддерживаться перпендикулярно осевой плоскости симметрии стойки на протяжении всего испытания.Необходимая сложность тяговых испытательных стендов и большое разнообразие возможных комбинаций нагрузок побуждают к использованию аналитических методов для предоставления рекомендаций по комбинированной нагрузке составных линейных стоек.Кроме того, пользователей больше всего интересуют «кривые приложения», которые показывают комбинации эксплуатационных нагрузок, которые могут быть учтены при эксплуатации.

Рис. 2: Типовые композитные опорные изоляторы горизонтальной линии 138 кВ.

Рекомендации в отношении отдельных комбинаций нагрузок обычно предоставляются производителями в виде комбинированных кривых нагрузки для предотвращения непреднамеренной перегрузки изоляторов.К сожалению, отсутствие единообразия среди производителей в построении этих кривых привело к некоторой путанице среди пользователей, и разработка общих рекомендаций для составных линейных стоек оказалась проблематичной.IEEE WG on Insulators сформировала TF для решения этой проблемы, и статус этой работы резюмируется в этом отредактированном вкладе в INMR покойного Энтони Бейкера, вышедшего на пенсию из K-Line Insulators.

Рис. 3: Горизонтальная линейная стойка, отклоненная в результате вертикальной весовой нагрузки (V), возможной продольной нагрузки (L) и возможной поперечной ветровой и/или угловой нагрузки (C) или (T).

Комбинированный анализ нагрузки

Комбинированную задачу нагружения можно описать с помощью рис. 4. Здесь стеклопластиковый стержень показан как горизонтально установленная балка, отклоненная на расстояние δ по вертикали в результате одновременно приложенных нагрузок;V (вертикальная нагрузка), L (продольная нагрузка) и C или T (поперечная нагрузка).

Рис. 4: Прогиб горизонтальной балки при комбинированной нагрузке.

Вертикальные нагрузки включают в себя вес проводника и связанное с ним оборудование вместе с любым ледовым покрытием, продольные нагрузки являются результатом любого дисбаланса горизонтальных напряжений в соседнем пролете, а поперечные нагрузки возникают либо ветровыми нагрузками, либо наклонными нагрузками линии, либо обоими.

Балка, если она изготовлена ​​из эффективно однородного материала с однородным поперечным сечением и жесткостью на изгиб EI, если она не прогибается слишком сильно (, имеет кривую прогиба, заданную [4]

Решение (l) для прогиба в зависимости от приложенных нагрузок позволяет определить общий изгибающий момент, приложенный к основанию балки.Чтобы удовлетворить предел отклонения и желание пользователя кривые применения, этот момент ограничен Максимальной расчетной консольной нагрузкой (MDCL) номинал опорного изолятора и его эффективная длина (ι)

Эффективная длина – это расстояние от точки опоры проводника до верха жесткой базовой арматуры (рис. 4).

Композитные линейные стойки обычно устанавливаются под углом наклона θ (рис. 5), и наиболее общее выражение для максимально допустимых изгибающих моментов с точки зрения приложенных нагрузок:

Для случая, когда поперечная нагрузка представляет собой ветровую нагрузку WC в направлении к опорной конструкции:

Для случая, когда поперечная нагрузка представляет собой ветровую нагрузку WT в направлении от опорной конструкции:

Общая модель

Целевая группа выбрала составную линейную опору общей модели, как указано в Таблице I, и попросила каждого производителя, представленного в рабочей группе, предоставить комбинированная кривая нагрузки для этого.

Рис. 5. Композитная линейная стойка, установленная под углом θ к горизонтали.Таблица 1: Композитная линейная стойка общей модели

Каждый производитель использовал предпочитаемый им метод построения комбинированных кривых нагрузки;некоторые использовали изложенный здесь анализ, некоторые подход FEM, а некоторые - нераскрытый собственный метод.Как было установлено для предыдущего проекта, спонсируемого СИГРЭ, все представленные результаты полностью совпадали, подтверждая представленный здесь анализ [5].

Для случая θ = 0° (3a) и 3(b) сводятся к:

и

и комбинированные кривые нагрузки для составной линейной стойки, определенной в Таблице I согласно (4a) и (4b), приведены на фиг.6.

Рис. 6: Комбинированные кривые нагрузки для составной линейной стойки общей модели IEEE TF (таблица I) для продольных нагрузок 0 фунтов, 500 фунтов и 1000 фунтов.

Интересно отметить, что, согласно рис. 6, поскольку вертикальная составляющая поперечной нагрузки в направлении от опорной конструкции противодействует вертикальной весовой нагрузке, видно, что имеет место значительное увеличение несущей способности вертикальной несущей способности конструкции. линейный пост.Однако, если поперечная нагрузка представляет собой ветровую нагрузку, повышенная грузоподъемность не может быть реализована, и рис. 6 следует скорректировать, как показано на рис. 7.

Рис. 7: Комбинированные кривые нагружения для обычной линейной стойки с поправкой на ветровую только поперечную нагрузку.

Как отмечалось ранее, составные линейные стойки обычно устанавливаются под наклонным углом к ​​горизонтали, и типичные углы находятся в диапазоне от 12° до 15°. комбинированные кривые нагрузки для общей модельной стойки, определенной в таблице I, за исключением установки под углом θ = 12°, приведены на рис. 8.

Рис. 8. Комбинированные кривые нагрузки на общую модельную линейную стойку, установленную под углом θ = 12°.

На рисунках 6 и 8 показано значительное влияние на комбинированные кривые нагрузки для столба, установленного под наклонным углом (рис. 5), по сравнению со столбом, установленным горизонтально (рис. 3).

В дополнение к углу установки θ, углы линии также могут иметь очень существенное влияние на комбинированные кривые нагрузки для конкретного применения.Эффект может быть положительным или отрицательным в зависимости от того, являются ли углы внутренними или внешними углами.Эта проблема еще не была рассмотрена TF.Конечно, вопрос зависит от приложения и может не поддаваться включению в общую рекомендацию.

Типичные концевые фитинги для композитных стоек представляют собой ребристое основание и либо горизонтальную верхнюю часть зажима (рис. 3), либо рым-концевой фитинг (рис. 5), и их прочность также влияет на комбинированные кривые нагрузки для конкретного опорного изолятора.Концевые фитинги линии имеют меньшую прочность, чем базовые фитинги, но обычно для прочности на растяжение/сжатие столба присваивается одно значение, поэтому решающее значение имеет прочность концевых фитингов линии.Типичный верхний зажимной фитинг имеет номинальную предельную прочность ±5000 фунтов.и фитинги с проушиной ± 15 000 фунтов.Каждый из них имеет максимально допустимую рабочую силу 50% от конечной.

Если считается, что опорный изолятор общей модели имеет концевой фитинг на верхней линии с горизонтальным зажимом, разумная модификация рис. 7, чтобы показать ограничение, налагаемое на комбинированная кривая нагрузки учет допустимого рабочего усилия концевой арматуры показан на рис. 9.

Рис. 9. Комбинированные кривые нагрузки для обычной линейной стойки модели, как на рис. 7, с добавленным ограничением концевого фитинга линии, допускающим рабочее усилие ± 2500 фунтов.

Влияние прочности концевой заделки на комбинированные кривые нагрузки для конкретных композитных линейных стоек также еще предстоит рассмотреть TF.

Усилия по ЦФ на сегодняшний день показывают, что общая рекомендация по предоставлению комбинированные кривые нагрузки для составных линейных опор изоляторы должны быть осуществимы, но еще предстоит проделать определенную работу.

Тем временем следующие предварительные рекомендации могут быть полезны пользователям при определении составных линейных столбов для их конкретных приложений.

• Общий комбинированные кривые нагрузки для композитных линейных опорных изоляторов должны быть предусмотрены максимально допустимые сочетания эксплуатационных нагрузок.
• Полезно, если типичные эксплуатационные нагрузки могут быть непосредственно введены в уравнения, чтобы определить комбинированные ограничения нагрузки для конкретной линейной стойки.
• Испытания на предельную прочность в условиях комбинированного нагружения требуют проведения дорогостоящих испытаний как с точки зрения оборудования, так и времени.
• Приложение комбинированные кривые нагрузки основанные на (1), согласуются между различными поставщиками и приводят к поддержанию максимальной эксплуатационной нагрузки опорного изолятора на уровне MDCL или ниже.
• Угол установки θ оказывает значительное влияние на комбинированные кривые нагрузки.
• Линейные углы оказывают значительное влияние на комбинированные кривые нагрузки и должны рассматриваться как особый случай.
• Влияние прочности концевых фитингов должно быть включено в комбинированные кривые нагрузки.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.