Як підвищити стійкість опор ліній електропередачі до вітрових навантажень?

Механізми вітрового навантаження, що діють на опори ліній електропередачі

Механізми вітрового навантаження викликають критичні напруження в опорах ліній електропередачі, тому для ефективного проектування проти вітрових навантажень необхідне точне розуміння цих процесів. Аеродинамічні взаємодії створюють складні закономірності сил — зокрема в каркасних решітчастих конструкціях, де турбулентне обтікання, звільнення вихорів і динамічне підсилення збігаються й загрожують міцності конструкції під час сильних вітрів.

Розділення турбулентного потоку та дисбаланс тиску навколо поверхонь решітчастих опор

Коли вітер рухається повз решітчасті щогли, виникають зони турбулентності та нерівномірного розподілу тиску на поверхні. Ці різниці тиску призводять до значних сил опору, що додають навантаження на конструктивні з’єднання та тонкі елементи каркасу, особливо помітно, коли потік повітря упирається всередині внутрішньої структури щогли. Під час сильних поривів різниця тиску між протилежними сторонами щогли часто перевищує 30 %, що прискорює знос і пошкодження цих критичних точок з’єднання. Дослідження, проведені в аеродинамічній трубі, підтверджують це: згідно з висновками, опублікованими в журналі «Journal of Wind Engineering» у 2017 році, саме такі дисбаланси тиску є однією з основних причин повторюваних циклів напруження в решітчастих лініях електропередачі. Щоб усунути цю проблему, інженери спочатку корегують відстань між поперечними ригелями. Така зміна конструкції допомагає порушити упорядковані шаблони потоку повітря й зменшити різницю тиску, перш ніж вона пошириться по всій структурі щогли.

Ефекти вихрового відшарування, аеродинамічного затінення та динамічного підсилення

Коли вітер проходить повз елементи щогли, виникає явище, яке називають вихровим зривом, що призводить до періодичних підйомних і лобових сил, що діють на конструкції в напрямку «туди-сюди». Іноді ці сили збігаються з власною частотою коливань конструкції, що викликає проблеми. Об’єкти, розташовані вгору за потоком — наприклад, інші щогли поруч або навіть особливості рельєфу — створюють те, що інженери називають аеродинамічними тінями. Ці тіні порушують нормальні вітрові потоки й фактично посилюють турбулентність у певних зонах. Комбінація всіх цих чинників може значно посилити реакцію конструкції. Польові випробування показали, що в таких випадках напруження в матеріалах можуть зростати приблизно на 40 %, згідно з даними досліджень, наведених у Руководстві ASCE № 74 (2010 р.). Вітер, що надходить під кутом, ще більше посилює цей ефект тіней. Саме тому інженери змушені встановлювати системи гасіння коливань — наприклад, гелікоподібні стрейки, намотані навколо опор, або настроєні масові гасники, які ми бачимо на висотних будівлях. Ці пристрої сприяють руйнуванню вихрових структур до того, як вони вийдуть з-під контролю й викличуть пошкодження через цей ланцюговий ефект.

Критичні режими відмов та структурні уразливості під час подій з сильним вітром

Місцеве випинання з'єднань та нестійкість елементів: уроки тайфуну «Мангхут» (2018 р.)

Вітри зі швидкістю 200 км/год під час тайфуну «Мангхут» виявили серйозні слабкі місця в конструкції з’єднань решітчастих опор, що призвело до ланцюгової реакції обвалів у енергомережі провінції Гуандун. Вітрове навантаження, що діяло з ексцентриситетом на болтові з’єднання, спричинило поступове випинання кутових конструктивних елементів, особливо помітне в місцях з’єднання траверс, де одночасно діяли згинні напруження й стискальні сили, перевищуючи міцність з’єднань. Аналіз наслідків показав, що близько трьох чвертей усіх аварій опор під час тайфуну «Мангхут» були спричинені саме цими проблемами з’єднань, що призвело до збитків понад 1,2 млрд дол. США, за даними дослідження, опублікованого Чень і колегами ще в 2022 році. Те, що робить цей випадок відмінним від простого виходу з ладу окремих компонентів, — це швидке поширення проблем із з’єднаннями через всю решітчасту конструкцію. Саме тому новіші галузеві стандарти, такі як IEC 61400-24:2019, тепер вимагають від інженерів виконувати нелінійний динамічний аналіз при проектуванні з’єднань для регіонів, які часто зазнають впливу тайфунів.

Деградація, спричинена втомою, порівняно зі статичним обвалом: чому сучасна оцінка баштових конструкцій повинна еволюціонувати

Більшість традиційних методів зосереджуються на межах статичного обвалу й не враховують поступове ушкодження від втоми, спричинене повторною дією вітру. Згідно з останніми дослідженнями, приблизно 60 відсотків аварій, пов’язаних із вітром, насправді викликані поширенням мікротріщин у зонах концентрації напружень, а не раптовими перевантаженнями, про які йдеться в Щорічному звіті EPRI 2023 року щодо стійкості. Проблема посилюється вздовж узбережжя, оскільки корозія під дією морської води посилює вплив постійних циклів навантаження й скорочує термін, протягом якого матеріали здатні витримувати такі впливи, майже вдвічі. Враховуючи це розуміння, багато провідних енергетичних компаній почали застосовувати підхід до оцінки, стійкий до пошкоджень, замість того, щоб обмежуватися лише перевіркою міцності. Вони замінюють застарілі методи огляду передовими технологіями ультразвукового контролю з фазованими решітками, які виявляють приховані дефекти під поверхнею до того, як тріщини стануть надто великими, щоб їх можна було проігнорувати.

Перевірені стратегії проектування для підвищення стійкості веж до вітру

Аеродинамічні удосконалення: оптимізація геометрії поперечних стрижнів та методи зменшення площі

Коли інженери змінюють форму поперечних балок, вони можуть зменшити площу передньої поверхні, що піддається впливу вітру, і запобігти утворенню неприємних вихорів. Це підтверджують й числові дані: еліптичні форми зменшують вібрації, спричинені закрученим повітряним потоком, приблизно на 15–20 % порівняно з традиційними кубічними конструкціями, згідно з дослідженням Національної лабораторії відновлюваних джерел енергії (NREL) за 2023 рік. Ще один спосіб — зменшення загальної площі конструкції, що піддається впливу вітру. Це досягається шляхом вилучення деяких несучих елементів там, де це можливо, та пробивання отворів у частинах, які не несуть навантаження. Такі зміни знижують аеродинамічний опір приблизно на 10–14 %, зберігаючи при цьому всю конструкцію такою ж міцною й стабільною. Комп’ютерні моделі, відомі як CFD-симуляції (обчислювальна гідродинаміка), перевіряють, чи працюють усі ці покращення коректно навіть за умов, коли вітер надходить під різними кутами — від 0° (прямо спереду) до 180° (прямо ззаду). Для дуже високих веж заввишки понад п’ятдесят метрів у районах, схильних до тайфунів, важливо забезпечити, щоб коефіцієнт суцільності (співвідношення площі суцільного матеріалу до загальної площі) залишався нижче 0,3 шляхом більшого розведення конструктивних елементів. Це значно зменшує небажані коливання, особливо в умовах хаотичної погоди, коли вітер дме одночасно з кількох напрямків.

Підсилення конструкції: модернізація підкосів, збільшення жорсткості вузлів та інтеграція демпфування

Під час підсилення конструкцій для запобігання їх руйнуванню інженери зосереджуються на проблемних ділянках, використовуючи трикутні системи підкосів, які сприяють розподілу вітрових навантажень з боків. Модернізація діагональних підкосів може збільшити поперечну жорсткість приблизно на 25–30 %. Конфігурація підкосів у формі літери «К» особливо ефективно запобігає втраті стійкості (прогинанню) стискаючих елементів під впливом надзвичайно сильних поривів вітру, що підтверджується такими стандартами, як IEC 61400-24:2019. Збільшення жорсткості вузлів досягається, зокрема, шляхом додавання косинців, попереднього затягування високоміцних болтів перед монтажем та посилення базових плит. Такий підхід зменшує проблеми, пов’язані з обертанням, і знижує ймовірність виникнення тріщин внаслідок втоми матеріалу приблизно на сорок відсотків. Для додаткового захисту від коливань, спричинених вітром, застосовуються допоміжні системи гасіння коливань. До них належать, зокрема, настроєні масові гасники або пристрої, заповнені в’язкими рідинами, які поглинають приблизно 15–25 % кінетичної енергії під час неприємних вітрових коливань. У сукупності всі ці різні підходи зміщують граничну швидкість вітру, при якій можливе руйнування конструкцій, понад 55 метрів на секунду. Повномасштабні випробування підтвердили ефективність цих рішень у симульованих умовах тайфуну, що надає інженерам впевненості у надійності їх проектів.

ЧаП

Що таке відшарування вихорів?

Відшарування вихорів виникає, коли вітер проходить над конструкцією, утворюючи поперемінні зони низького тиску, що спричиняють коливальний рух «туди-сюди», що призводить до виникнення підіймальної та лобової сил на конструкції.

Як аеродинамічне затінення може вплинути на опору лінії електропередачі?

Аеродинамічне затінення порушує нормальні вітрові потоки, посилюючи турбулентність і збільшуючи навантаження на конструкції опор, особливо в зонах, розташованих позаду перешкод, таких як інші опори чи елементи рельєфу.

Які існують проектні стратегії для підвищення стійкості опор ліній електропередачі до вітрових навантажень?

До проектних стратегій належать оптимізація геометрії траверс, методи зменшення площі, додавання додаткових розпорок, жорстке укріплення вузлів з’єднання та інтеграція демпферів для рівномірного розподілу вітрових навантажень і запобігання структурним слабким місцям.