Как повысить устойчивость опор линий электропередачи к ветровым нагрузкам?

Механизмы ветровой нагрузки, действующие на опоры линий электропередачи

Механизмы ветровой нагрузки вызывают критические напряжения в опорах линий электропередачи, что требует точного понимания для эффективного проектирования устойчивости к ветровым воздействиям. Аэродинамические взаимодействия создают сложные картины распределения сил — особенно в решётчатых конструкциях открытого типа — где турбулентное течение, срыв вихрей и динамическое усиление совместно подвергают риску конструктивную целостность при сильных ветрах.

Разделение турбулентного потока и дисбаланс давления вокруг поверхностей решётчатых опор

Когда ветер проходит мимо решётчатых опор, он создаёт зоны турбулентности и неравномерного распределения давления на их поверхности. Эти перепады давления приводят к значительным силам аэродинамического сопротивления, которые создают дополнительную нагрузку на узлы соединения и тонкие элементы каркаса; особенно это заметно, когда воздушный поток задерживается внутри внутренней структуры опоры. Во время сильных порывов ветра перепады давления между противоположными сторонами опоры зачастую превышают 30 %, что ускоряет износ и повреждение этих критически важных точек соединения. Результаты аэродинамических трубных испытаний подтверждают это наблюдение: согласно публикации 2017 года в журнале «Journal of Wind Engineering», именно такие дисбалансы давления являются одной из основных причин возникновения циклических нагрузок в решётчатых линиях электропередачи. Для решения этой проблемы инженеры начинают с корректировки расстояния между траверсами. Такая конструктивная доработка помогает нарушить упорядоченные структуры воздушного потока и снизить перепады давления до того, как они распространятся по всей каркасной конструкции опоры.

Вихревое срывание, аэродинамическое затенение и эффекты динамического усиления

Когда поток ветра проходит мимо элементов башни, возникает явление, называемое срывом вихрей, которое приводит к возникновению попеременных подъёмных и лобовых сил, действующих на конструкцию. Иногда эти силы совпадают с собственной частотой колебаний конструкции, что вызывает проблемы. Препятствия, расположенные по потоку (например, соседние башни или даже особенности рельефа местности), создают так называемые аэродинамические тени. Эти тени нарушают нормальные ветровые режимы и фактически усиливают турбулентность в отдельных зонах. Совокупное воздействие всех этих факторов может значительно усилить динамический отклик конструкции. Полевые испытания показали, что при возникновении такого эффекта напряжения в материалах могут возрастать примерно на 40 %, согласно исследованиям, приведённым в Руководстве ASCE № 74 за 2010 г. Ветер, набегающий под углом, ещё больше усиливает эффект аэродинамических теней. Именно поэтому инженеры вынуждены устанавливать системы гашения колебаний — например, спиральные ребра (геликоидальные стрейки), наматываемые на опоры, или так называемые настроенные массогасители, применяемые на высотных зданиях. Эти устройства помогают разрушить вихревые структуры до того, как они выйдут из-под контроля и вызовут повреждения вследствие цепной реакции.

Критические режимы отказа и структурные уязвимости при сильных ветрах

Потеря устойчивости соединений и элементов конструкции: уроки тайфуна «Мангхут» (2018 г.)

Ветры скоростью 200 км/ч, вызванные тайфуном «Мангхут», выявили серьёзные слабости в конструкции соединений решётчатых опор, что привело к цепной реакции обрушений по всей электросети провинции Гуандун. Ветровые нагрузки, приложенные с эксцентриситетом к болтовым соединениям, вызвали постепенную потерю устойчивости (выпучивание) в наклонных несущих элементах конструкции — особенно отчётливо это проявилось в местах соединения траверс, где изгибающие напряжения и сжимающие усилия превысили несущую способность соединений. Анализ последствий показал, что примерно три четверти всех случаев разрушения опор во время тайфуна «Мангхут» были обусловлены именно этими проблемами в узлах соединений, что привело к ущербу свыше 1,2 млрд долларов США, согласно исследованию, опубликованному Чэнь и его коллегами в 2022 году. Отличительной особенностью данной ситуации по сравнению с простым отказом отдельных компонентов является то, что дефекты соединений быстро распространяются по всей решётчатой конструкции. Именно поэтому в новых отраслевых стандартах, таких как IEC 61400-24:2019, теперь прямо предписывается инженерам выполнять нелинейный динамический анализ при проектировании узлов соединений для районов, подверженных частым тайфунам.

Деградация, обусловленная усталостью, против статического разрушения: почему современная оценка башен должна эволюционировать

Большинство традиционных методов ориентированы на пределы статического разрушения и не учитывают постепенное усталостное повреждение, вызванное многократным воздействием ветра. Согласно недавним исследованиям, примерно 60 процентов аварий, связанных с ветровыми нагрузками, вызваны распространением микротрещин в зонах концентрации напряжений, а не внезапными перегрузками, как указано в Ежегодном отчёте EPRI за 2023 год о надёжности энергосистем. Проблема усугубляется в прибрежных районах, поскольку коррозия, вызванная морской водой, взаимодействует с постоянными циклами механических напряжений, сокращая срок службы материалов под такими нагрузками почти вдвое. Исходя из этого понимания, многие ведущие энергетические компании начали применять подходы к оценке, основанные на допустимости повреждений, вместо того чтобы ограничиваться лишь проверкой прочности. Они заменяют устаревшие методы инспекции передовыми ультразвуковыми методами контроля с фазированными решётками, позволяющими выявлять скрытые дефекты под поверхностью до того, как трещины станут достаточно крупными, чтобы их нельзя было игнорировать.

Проверенные стратегии проектирования для повышения устойчивости башни к ветровым нагрузкам

Аэродинамические усовершенствования: оптимизация геометрии поперечных рычагов и методы снижения площади

Когда инженеры изменяют форму поперечных балок, они могут снизить площадь поверхности, подверженной воздействию ветра спереди, и предотвратить образование нежелательных вихрей. Эти утверждения подтверждаются и численными данными: по результатам исследований Национальной лаборатории возобновляемой энергетики (NREL) за 2023 год эллиптические формы снижают вибрации, вызванные вихревым потоком воздуха, примерно на 15–20 % по сравнению с традиционными прямоугольными конструкциями. Другой приём — уменьшение общей площади поверхности, подверженной воздействию ветра. Он включает удаление некоторых несущих элементов там, где это возможно, а также сверление отверстий в деталях, не испытывающих нагрузки. Такие изменения позволяют снизить аэродинамическое сопротивление примерно на 10–14 %, сохраняя при этом прежнюю прочность и устойчивость конструкции. Компьютерные модели, известные как CFD-симуляции (численное моделирование гидрогазодинамики), проверяют работоспособность всех этих усовершенствований даже при изменении угла направления ветра — от 0° (ветер строго спереди) до 180° (ветер строго сзади). Для особенно высоких башен высотой более пятидесяти метров в районах, подверженных тайфунам, принципиальное значение имеет поддержание коэффициента заполнения (отношения площади сплошных участков к общей площади проекции конструкции) ниже 0,3 за счёт увеличения расстояния между несущими элементами. Это существенно снижает нежелательные колебания, особенно в условиях хаотической погоды, когда ветер дует одновременно с нескольких направлений.

Усиление конструкции: модернизация распорок, упрочнение соединений и интеграция демпфирующих элементов

При усилении конструкций для предотвращения их разрушения инженеры сосредотачиваются на проблемных участках, используя треугольные раскосные системы, которые способствуют распределению ветровых нагрузок, действующих с боковых сторон. Модернизация диагональных раскосов может повысить поперечную жёсткость примерно на 25–30 %. Конфигурация раскосов типа «К» особенно эффективна в предотвращении потери устойчивости (выпучивания) сжатых элементов при воздействии очень сильных порывов ветра, что подтверждается такими стандартами, как IEC 61400-24:2019. Увеличение жёсткости узлов включает такие меры, как установка косынок, предварительная затяжка высокопрочных болтов до монтажа и усиление опорных плит. Такой подход снижает проблемы, связанные с поворотом узлов, и уменьшает вероятность возникновения усталостных трещин примерно на сорок процентов. Для дополнительной защиты от колебаний, вызванных ветром, применяются вспомогательные демпфирующие методы. К ним относятся, например, настроенные массовые демпферы или устройства, заполненные вязкими жидкостями, которые поглощают примерно от пятнадцати до двадцати пяти процентов кинетической энергии во время неприятных ветроиндуцированных вибраций. В совокупности все эти различные подходы позволяют перенести предельную скорость ветра, при которой возможен обрушение конструкции, за отметку в пятьдесят пять метров в секунду. Испытания в натуральную величину подтвердили эффективность этих решений при моделировании условий тайфуна, что даёт инженерам уверенность в надёжности их проектных решений.

Часто задаваемые вопросы

Что такое вихревое срывание?

Вихревое срывание возникает, когда ветер проходит над конструкцией, вызывая попеременное образование зон пониженного давления, что приводит к колебательному движению вперёд-назад и создаёт подъёмные и лобовые силы, действующие на конструкцию.

Как аэродинамическое экранирование может повлиять на опору линии электропередачи?

Аэродинамическое экранирование нарушает нормальные ветровые потоки, усиливая турбулентность и повышая нагрузку на конструкции опор, особенно в зонах за препятствиями, такими как другие опоры или элементы рельефа.

Какие стратегии проектирования позволяют повысить устойчивость опор линий электропередачи к ветровым нагрузкам?

Стратегии проектирования включают оптимизацию геометрии траверс, методы уменьшения площади поверхности, усиление раскосов, повышение жёсткости узлов соединения и интеграцию демпфирующих устройств для равномерного распределения ветровых нагрузок и предотвращения структурных слабостей.