Вероятностно-статистический подход к определению расчетных климатических нагрузок на воздушные линии электропередачи

ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ ПОДХОД

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАСЧЕТНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

НА ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Васин В.П., Морошкин Ю.В., Скопинцев В.А. , Фёдоров Ю.Г.

(ОАО «Институт «Энергосетьпроект»)

При проектировании ВЛ определение расчётных климатических условий (скоростного напора ветра и толщины гололёдно-изморозевых отложений) является ответственным этапом, от которого во многом зависит стоимость строительства, аварийность в реальных условиях эксплуатации, промышленная безопасность, живучесть и другие свойства и характеристики линий.

Согласно ПУЭ-7 расчётные условия по ветру и гололёду при проектировании должны приниматься из соответствующих карт климатического районирования с учётом ряда коэффициентов. На этих картах обозначены области с нормированными значениями толщины стенки гололёда и ветрового давления, которые получены на основании статистической обработки многолетних наблюдений на гидрометеорологических станциях и метеопостах.

В существующей практике проектирования расчетные ветровые и гололедные нагрузки на элементы ВЛ существенно зависят от принимаемого периода повторяемости нагрузок, функции распределения вероятностей (ФРВ) нагрузок и ряда поправочных коэффициентов, рекомендуемых ПУЭ-7: коэффициента надежности, коэффициента ответственности, регионального коэффициента и коэффициента условий работы, которые представляются в значительной степени недостаточно обоснованными. 

Переход в ПУЭ 7-го издания к периоду повторяемости 25 лет при применении второго предельного распределения для максимальных нагрузок (распределения Фишера-Типпета) с учетом указанных поправочных коэффициентов дает расчетные нагрузки, зачастую существенно утяжеляющие конструктивную часть ВЛ.

Опыт проектирования показывает, что такое увеличение расчетных нагрузок не всегда оправдано. Кроме того, введение указанных поправочных коэффициентов и увеличение расчетных нагрузок невозможно количественно связать с уровнем снижения риска появления сверхрасчётных нагрузок за время эксплуатации ВЛ. Поэтому в ОАО «Институт «Энергосетьпроект» проводятся углубленные исследования вероятностно-статистических методов обоснования расчетных климатических нагрузок на ВЛ: на основе теории порядковых статистик [1] и комплексной математической модели потоков неблагоприятных воздействий с применением современной теории управления риском [2-4].

Задача определения расчётных нагрузок состоит в том, чтобы по результатам регистрации климатических воздействий на ВЛ (давления ветра, гололёда, совместного действия ветра и гололёдных отложений) найти ФРВ достижения различных уровней воздействия в течение периода эксплуатации t: [T₀, T₀+t]. Задаваясь требуемой вероятностью превышения климатических воздействий на ВЛ за период t, необходимо определить уровень воздействия, который принимается за расчётное значение, соответствующее заданной надежности ВЛ по отношению к климатическим воздействиям. Поскольку для разных ВЛ требования к надежности различны, то необходимо исследование в полном объеме процессов формирования климатических нагрузок и всей процедуры принятия решения о значениях расчетных нагрузок.

Исходной информацией для решения такой задачи являются метеорологические данные о нагрузках на сооружения электроэнергетического объекта для рассматриваемого региона. При этом, конечно, период наблюдений T_набл за климатической нагрузкой  желательно иметь достаточно длительным, сопоставимым с периодом эксплуатации.

Метеорологические данные представляют собой дискретную регистрацию случайного процесса (с.п.) X(t) изменения во времени величины нагрузки. Они включают конечное число наблюдённых значений нагрузки x_j  и моменты времени t_jих регистрации в пределах периода наблюдений T_набл, так что X(t_j)=x_j, j=1, 2,…, n.

Исходную информацию о наблюдениях за период времени T_набл можно представить в виде временного ряда:

        .                      (1)

При подходе, основанном на теории порядковых статистик, обработка данных (1) осуществляется следующим образом. Во-первых, элементы первой строки используются для разбиения периода наблюдений на отдельные годы. В пределах каждого года выбираются максимальные значения , k=1,2,…,T_набл и составляется ряд годовых максимумов:

                                      .

Предполагается, что годовые максимумы являются реализацией одной и той же случайной величины (с.в.) , т.е. являются распределением старшей порядковой статистики. Согласно детально разработанной теории [1] годовые максимумы распределяются по одному из трех предельных законов: Гумбеля, Фишера - Типпета и Вейбулла. Параметры распределений подлежат определению, например, методом максимального правдоподобия или методом моментов и пр.