Новые данные о влиянии ураганного ветра на опоры ЛЭП

Прочитано: 106 раз(а)


Большинство людей в США не задумываются о том, чтобы включить свет. В середине 20-го века США вложили большие средства в передающую часть национальной электросети, чтобы обеспечить общество надежной электроэнергией. Проблема в том, что многие опоры электропередач превысили расчетный срок службы примерно на 50 лет, а это означает, что у стареющей сети сегодня больше шансов выйти из строя.

Одной из угроз для сети являются разрушительные ветры сильных штормов, таких как ураганы. Показательный пример — более 25 миллиардов долларов ущерба от ветра в результате урагана «Майкл», который в 2018 году разрушил около 100 опор электропередач во Флориде.

Новый набор лабораторных экспериментальных данных призван помочь ученым и инженерам понять и предотвратить угрозу ураганных ветров для конструкций электропередач. Проект (PRJ-1379) получил награду DesignSafe Dataset Award 2022, которая признала разнообразный вклад набора данных в исследование стихийных бедствий.

Исследователи использовали один из самых мощных в мире симуляторов ураганов, Экспериментальный центр Стены Ветра Инфраструктуры инженерных исследований природных опасностей (NHERI) в Международном университете Флориды (ПФР). Стена Ветра разработала реалистичные модели опор ЛЭП в масштабе 1:50 и многопролетной системы электрических кабелей, способных генерировать ураганный ветер 5-й категории со скоростью 157 миль в час.

Были испытаны различные скорости и направления ветра, чтобы имитировать хаос и сложность реальных ураганов. В ходе испытаний, проведенных в июле 2019 года, были измерены силы упругости, вызванные движениями конструкции, ветром и различными компонентами этой конструкции под действием взаимодействия ветра с конструкцией.

Научная группа опубликовала часть своих результатов в июле 2021 года в журнале Engineering Structures . Несколько других документов, основанных на данных, полученных в ходе этого проекта, в настоящее время находятся на рассмотрении.

«Один из основных результатов на данный момент и причина, по которой он все еще продолжается после завершения проекта, — это идентификация и характеристика наиболее важных параметров для анализа и проектирования этих структур», — сказал Абдолла Шафиезаде, доцент кафедры Лихтенштейна. в области гражданской, экологической и геодезической инженерии в Университете штата Огайо (OSU).

В качестве основного направления этого исследования Шафиезаде и его коллеги изучили два ключевых параметра — фактор порыва ветра и коэффициент сопротивления — используемые учеными и инженерами для анализа воздействия ветра на опоры ЛЭП и системы проводников, а также при использовании модели, разработанной ими для этап проектирования новых систем.

«Мы разработали методы объединения датчиков на стороне анализа, которые позволили объединить различные типы информации от разных типов датчиков, которые были оснащены и проверены в ПФР», — сказал Шафиезаде.

Башни модели были оснащены тремя 3-осевыми акселерометрами, одним тензодатчиком с 6 степенями свободы и шестью тензодатчиками, которые в основном регистрировали движение поперечин, сдвиг основания и реакции кручения. Система сбора данных собирала измерения с датчиков, которые в конечном итоге анализировались статистическими методами.

Они провели три набора испытаний: один был на одинарных опорах без изоляторов; другой был с многопролетной линией электропередачи; в последнем испытании изучалась реакция опорной системы на отказ проводника или изолятора под действием ураганного ветра, что является уникальным для этого эксперимента. Каждое из этих испытаний предоставило новую информацию, важную для понимания сложного поведения конструкций башни при экстремальных ветровых воздействиях.

«Главное, что мы узнали из исследования, касается факторов воздействия порывов ветра. Пиковые нагрузки отличались от опубликованных в стандартах», — сказал Ариндам Чоудхури, частный частный предприниматель и директор экспериментального центра NHERI Wall of Wind; и профессор и заведующий кафедрой гражданской и экологической инженерии ПФР.

Чоудхури и его коллеги из ПФР получили более точные и надежные оценки этих параметров с помощью своей современной ветровой лаборатории. Затем Шафиезаде и его коллеги из OSU сравнили эти данные с теми, что доступны в технических нормах и стандартах ASCE-7 и ASCE-74, и обновили существующие модели.

«Мы увидели, что эти коды потенциально недооценивают эти факторы», — сказал Шафиезаде. «Это может иметь последствия для безопасности, надежности и устойчивости этих структур».

Они подчеркнули, что в результатах есть нюансы, а не один общий вывод, потому что это зависит от многих факторов, таких как скорость ветра, направление ветра и характеристики башни.

«Но мы увидели общую тенденцию — недооценка нагрузок», — сказал Шафиезаде.

Они также обнаружили, что эффект во всех направлениях важен; коды в основном охватывают направление по ветру.

Новые данные о влиянии ураганного ветра на опоры ЛЭП

«Мы проверили направление бокового ветра и рассчитали факторы порыва ветра и коэффициенты лобового сопротивления для этих направлений», — сказал Чоудхури. «Это новые данные. Некоторые из этих данных могут быть включены в стандарты для линий электропередачи, что поможет повысить безопасность строящихся новых опор».

Набор данных был опубликован в киберинфраструктуре NHERI DesignSafe.

«Узнать о DesignSafe и структуре, которую он предлагает, было очень полезно», — сказал Шафиезаде. «У нас есть огромные объемы данных, полученных в результате этих экспериментов. DesignSafe делает их структурированными и доступными для сообщества, поэтому они могут использовать их, не проходя через множество обручей».

«DesignSafe предоставил нам структуру, обучение для студентов, которые участвовали, и лучший способ использования набора данных большим сообществом без затруднений при навигации по данным», — добавил Чоудхури.

Отмеченный наградами набор данных стал центральным элементом более крупного проекта «Экспериментально подтвержденная стохастическая числовая структура для создания многомерных факторов уязвимости для повышения устойчивости систем передачи к ураганам».

«Ключевым аспектом было получение реальных данных о производительности этих структур, понимание их поведения и преобразование его в наши вычислительные модели», — сказал Шафиезаде.

«Мы используем вычислительные модели для разработки «моделей хрупкости», которые позволяют нам анализировать вероятность возникновения определенного состояния повреждения в системе в зависимости от характеристик опасности, в данном случае скорости и направления ветра», — добавил он. .

Еще одним примером используемых данных является проект «КАРЬЕРА: устойчивость электроэнергетических сетей к ветровым нагрузкам и эффектам старения с помощью стратегий проектирования и оценки с учетом рисков», которым руководит Элис Алипур из Университета штата Айова.

В ее проекте изучается влияние ветра на такие системы, но также учитывается эффект старения от коррозии и то, как меняется воздействие ветра на электрические сети.

Также набор данных используется в проекте Амала Элавади из ПФР «Совместное исследование: характеристика хрупкости систем линий электропередач при нисходящих импульсах с использованием экспериментального и проверенного стохастического численного моделирования». Он изучает эффекты башни от нисходящих порывов, сильных нисходящих и внешних ветров, которые могут нанести ущерб зданиям и башням.

Шафиезаде сказал: «Чтобы сохранить надежность и устойчивость системы в будущем, нам необходимо инвестировать в улучшение электросети. Одна из стратегий заключается в выявлении наиболее уязвимых частей сети. Это требует более глубокого понимания поведения этих структур, чтобы что мы можем выявлять уязвимости и экономически эффективно проектировать новые структуры или модернизировать их. Вот где набор данных этого исследования может существенно помочь в ответах на эти вопросы».

Новые данные о влиянии ураганного ветра на опоры ЛЭП



Новости партнеров