Какви са изискванията за носеща способност на стълбовете за електрически мрежи?

Какви натоварвания действат върху електрическите стълбове? Основни видове натоварване и тяхното инженерно въздействие

Електрическите стълбове изпитват сложни сили, които определят конструктивния дизайн. Точната оценка на тези натоварвания предотвратява повреди и удължава живота на инфраструктурата в мрежите за разпределение на енергия.

Вертикални натоварвания: Тегло на проводници, трансформатори и прикачени елементи

Натиска надолу върху стълбовете за електроустановки идва предимно от всичко оборудване, което те трябва да поддържат. Елементи като електропроводи, трансформатори, комуникационни кутии, напречни греди и малките керамични изолатори създават това, което инженерите наричат постоянни натоварвания, които никога не изчезват. Повечето стълбове в крайна сметка носят между 2000 и 3500 паунда оборудване, макар този брой значително да нараства в градските райони около подстанции, където има много компактна инфраструктура. Когато стълбовете нямат достатъчна якост да поемат тези вертикални сили, проблемите настъпват бързо. Виждали сме случаи, при които стълбовете се огъват под натоварването или основите им потъват във влажна почва, особено след силни дъждове, когато почвата е напълно наситена. Затова правилната инженерна практика изисква внимателно сумиране на всички тези тегла. Целта не е просто математическа прецизност, а да се гарантира, че материалите наистина могат да издържат на постоянното натоварване ден след ден, без да се повредят.

Хоризонтални натоварвания: Вятърно налягане, неуравновесено напрежение на проводниците и натрупване на лед

Стълбовете са изправени пред сериозни предизвикателства от странични сили, които ги огъват под напрежение. Когато вятърът достигне стълба, налягането зависи от площта на повърхността, която е изложена. Едновременно с това, когато проводниците са опънати под ъгъл през отвори, те създават допълнителни дърпащи сили, които могат да наруши устойчивостта на конструкцията. Според националните правила за електрическа безопасност, различните региони имат специфични изисквания за поемане на натоварвания от вятър и лед. Например, в Зона 2 стълбовете трябва да бъдат изградени така, че да издържат както натрупване на лед с дебелина половин инч, така и ветрове със скорост четиридесет мили в час. Още по-лошото е, че ледът, залепнал за проводниците, всъщност удвоява ефекта от вятърното натоварване. Всички тези комбинирани натисци означават, че за устойчивост са необходими по-дълбоки основи, а понякога инженерите трябва да монтират подпорни въжета, за да укрепят уязвимите инсталации.

Усукващи и динамични натоварвания: люлеещи се устройства, подскачащи проводници и земетресения

Когато се работи с въртящи сили и краткотрайни импулсни въздействия, инженерите се сблъскват с множество сложни начини за разрушаване на конструкции. Вземете например електропреносните линии – когато те започнат да подскачат при силни ветрове, напрежението в тях става много по-високо от предвиденото при обикновените изчисления, понякога над три пъти! А при земетресения трептенето на земята създава досадни резонансни честоти. Трансформаторите, които се клатят напред-назад, допринасят със собствените си проблеми, като прилагат усукващи сили. Анализът на всички тези движещи се елементи изисква сериозни методи, като моделиране по метода на крайните елементи. При сгради, нуждаещи се от сейсмично усилване, изпълнителите обикновено монтират спираловидни анкери заедно с материали, които могат да се огъват без да се скъсват, за да абсорбират ударните вълни, преди те да причинят щети.

Как НЕСС дефинира изискванията за натоварване на стълбовете за електроразпределение и безопасностните граници

Националният електрически кодекс за безопасност, или NESC, както често се нарича, определя доста строги насоки за изграждането на стълбовете за електропренос в зависимост от местоположението им. Тези райони се категоризират в три основни типа: тежки, средни и леки зони за натоварване. Всяка категория има собствен набор правила относно метеорологичните условия, които стълбовете трябва да издържат. Например, в тежките зони стълбовете трябва да издържат на скорост на вятъра до 80 мили в час, както и на натрупване на лед с дебелина половин инч. От друга страна, в леките зони условията не са толкова екстремни, затова изискванията са по-малко строги. Цялата тази система помага на електропреносните линии да остават устойчиви, независимо дали се намират в планински райони, склонни към бури, или в равнинни територии с по-умерени климатични условия.

Зони за натоварване по NESC и регионални проекти за стълбове за електропренос

Спецификациите за критичните зони включват изчисления за максимално налягане от вятъра, базирани на интервали от 50 години за повторение на буря; стандарти за радиална дебелина на леда, получени от исторически данни за валежите; теренни множители за открити височини или крайбрежни коридори; и изисквания за класификация на почвата за стабилност на фундамента.

Минимални коефициенти на безопасност: Защо 1,5× пределната носеща способност е недоговаряема

NESC задължава минимален праг на безопасност от 150% от пределната носеща способност по три основни причини:

1. Компенсация за деградация на материала : Дървените стълбове губят 20–40% от якостта си за 40 години
2. Непредвидени динамични натоварвания : Трептенето на проводниците по време на ледени бури увеличава силите до 300%
3. Отклонения при строителството : Промените на терена често отстъпват от инженерните проекти

Този коефициент гарантира запазване на конструктивната цялостност въпреки прогресивното влошаване на дървесните влакна, аномалии при потъване на фундамента, непредвидени добавки към оборудването и екстремно време, надвишаващо историческите модели.

Основни източници на натоварване: Проводници, оборудване и съвременни прикачвания към електрически стълбове

Опън в проводниците и геометрията на отварянията като доминиращи фактори за огъващите моменти

Опънът в електропреносните линии оказва значително напрежение върху електрическите стълбове, особено там, където те се огъват или рязко завършват. Разстоянието между стълбовете прави цялата разлика, когато става дума за нива на напрежение. Когато отварянията са по-дълги, опънът не просто нараства линейно — той скоково се увеличава. Виждали сме случаи, при които увеличаването на разстоянието между стълбовете само с 25% води до около 56% по-високо огъващо напрежение поради начина, по който математически се изчисляват моментите. Положението става още по-лошо, когато има неравномерно провисване в различните участъци или когато линиите рязко променят посоката си. Затова инженерите на терен силно разчитат на векторни изчисления, за да определят тези сили преди нещо да се счупи. Без подходящ анализ съществува риск от повреди на стълбове, които биха могли да изключат цели електрически мрежи по време на бури или силни ветрове.

Оптични кабели и безжични устройства: Увеличаващи се вторични натоварвания върху стълбовете на електропреносната мрежа

Добавянето на ново оборудване към стълбовете на мрежата постепенно увеличава теглото. Например оптичните кабели могат да добавят от 3 до 7 паунда на всеки фут дължина по стълба. Също така има и малките 5G кутии за клетки, всяка от които тежи около 75 до 150 паунда. Всичко взето, тези допълнителни елементи съставляват приблизително 12 до 18 процента от товара, който градските ни електрически стълбове трябва да носят днес. И не става дума само за тегло. Всяко закрепване увеличава повърхнината, изложена на вятъра, поради скобите и подпорите, необходими за фиксиране на елементите. Правилното проектиране е от голямо значение. Когато натоварването на стълбовете надхвърли около 85% от капацитета, инженерите често се сблъскват с необходимостта от скъпи модернизации или пълна подмяна в бъдеще.

Оценка на капацитета: Процент на използване, укрепване и решения за подмяна на стълбове на електропреносната мрежа

Конските стълбове изискват постоянни оценки на капацитета чрез три ключови метрики: процент на използване, възможност за усилване и критерии за подмяна. Процентът на използване измерва съотношението между приложените натоварвания и номиналния капацитет на стълба – надвишаването на 67% нарушава задължителния коефициент на безопасност от 1,5× според NESC. Анализът на индустрията показва, че стълбовете, достигнали 85% използване, изискват незабавно усилване чрез:

• Монтаж на стоманен ръкав (възстановява 25–40% от якостта)
• Системи с въжета (намаляват огъващото напрежение с 30–50%)
• Епоксидно консолидиране (спира гниенето на дървото в 92% от случаите)

Подмяната просто трябва да се извърши, когато използването надхвърли 90% или когато намалението на капацитета падне под необходимото за нормална експлоатация ниво. Цялата цел от задаването на тези прагове е да се предотвратят катастрофални повреди по време на лоши метеорологични условия. Вземете например стълбовете за електропренос – те се разрушават приблизително 4 пъти по-често, когато са претоварени, в сравнение с добре усилени такива. Днешните мениджъри на активи анализират всичко това чрез инструменти за оценка на риска, които балансират загубите от прекъсвания спрямо разходите за предварително отстраняване на дефектите. Това помага електрическата мрежа да остане стабилна, без да се правят неоправдано скъпи модернизации.

ЧЗВ

Каква е основната цел на NESC относно стълбовете за електропренос?

Основната цел на Националния кодекс за електрическа безопасност (NESC) е да установи насоки за строителството и поддържането на електрически стълбове, за да се осигури безопасност и надеждност в различните зони по отношение на натоварванията, както и да се вземат предвид регионалните метеорологични условия като вятър и натрупване на лед.

Защо вертикалните натоварвания са от решаващо значение за електрическите стълбове?

Вертикалните натоварвания, като теглото на проводниците, трансформаторите и прикачените елементи, са от решаващо значение, защото директно влияят на конструктивната цялостност на електрическите стълбове. При липса на правилна оценка тези натоварвания могат да причинят огъване на стълбовете или потъване на основите им, което води до повреди.

Как хоризонталните и усукващите натоварвания влияят върху електрическите стълбове?

Хоризонталните натоварвания от вятър и опън на проводниците, както и усукващите сили от динамични събития (като подскачащи проводници и сеизмична активност), могат да накарат стълбовете да се огъват или усукват, което изисква по-дълбоки основи и усилени инсталации, например кабели за закрепване.

Кога трябва да се подменят електрическите стълбове?

Стълбовете за електропренос трябва да се подменят, когато използването им надхвърли 90% или когато влошаването намали капацитета им под експлоатационните нужди, за да се предотвратят катастрофални повреди по време на екстремни метеорологични условия, свързани с прекъсвания в електрическата мрежа.