Механический расчет ЛЭП
Исходные
данные для проектирования
провод трос механический
Выполнить проверочные расчеты на прочность одноцепной
воздушной линии электропередач напряжением 330 кВ, проходящей по ненаселенной
местности. Воздушная линия сооружается на промежуточных металлических опорах
типа П330-1 с использованием провода марки АС 300/39 и грозозащитного троса
ТК-10. Длинна габаритного пролета L=470 м. В районе сооружения ЛЭП имеют место
следующие климатические условия:
1. Район по гололёду - II
2. Район по ветровой нагрузке - II
. Температура высшая (tmax) = 30 0С
. Температура низшая (tmin) = -40 0С
. Температура среднегодовая (tэ) =-5 0С
6. Температура гололедообразования (tг) =-5
0С
Введение
Воздушные ЛЭП служат для передачи и распределения энергии по
проводам, расположенным на открытом воздухе и закрепляемыми при помощи
изоляторов и линейной арматуры на опорах, в отдельных случаях на кронштейнах
или на стойках инженерных сооружений.
В РФ приняты следующие стандартные напряжения 3-х фазного
тока до 1000В: 127, 220, 380, 500 В, выше 1000 В стандартизованы напряжения: 3,
6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ.
Расстояние между проводами и заземленными частями опор, а
также от проводов до поверхности земли следует принимать таким, чтобы при рабочем
напряжении линии была исключена возможность электрических разрядов между
проводами, с проводов на опору и на наземные сооружения и предметы. Для этого
необходимо обеспечить достаточную электрическую прочность изоляторов и
воздушных изоляционных промежутков. Изоляторы и воздушные промежутки должны
также с большей степенью надежности исключить электрические разряды при
перенапряжениях, которые могут возникать на линии данного напряжения.
На линиях 110 кВ и выше необходимо учитывать потери
электрической энергии на корону, связанные с ионизацией воздуха около проводов.
Эти потери уменьшаются при увеличении диаметра проводов. На линиях 330 кВ и
выше для ограничения потерь на корону до приемлемых значений пришлось бы
подвешивать провода очень большего диаметра.
Потери на корону можно уменьшить, заменив один провод
несколькими параллельными проводами, образующими расщепленную фазу. На линиях
330 кВ применяется расщепление провода на 2 провода, на линиях 50 кВ - на 3
провода, на линиях 750 кВ и выше - на 4 или 5 проводов.
Изоляторы, служащие для подвески проводов на ВЛ разделяются
на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы, применяются на линиях напряжением
до 35 кВ включительно, устанавливаются на опорах с помощью крюков или штырей.
На линиях от 35 кВ и до 110 кВ применяются как штыревые, так и подвесные
изоляторы, на линиях 110 кВ и выше применяются только подвесные изоляторы.
Подвесные изоляторы на стеклянной или фарфоровой изолирующей
основе и соединенных с ней металлических элементов, служат для сцепления нескольких
изоляторов с линейной арматурой. Ряд последовательно соединенных проводов
(изоляторов) называется гирляндой, закрепление гирлянд на опорах производится с
помощью сцепной арматуры.
В зависимости от способа подвески проводов опоры делятся 0 на
две основные группы:
1. Опоры промежуточные, на которых провода закрепляются
в поддерживающих зажимах.
2. Опоры анкерного типа, служащих для натяжения
проводов. На этих опорах провода закрепляются в натяжных зажимах.
По конструкционному выполнению опоры можно разделить: на
свободно стоящие и опоры на оттяжках (выполняются из стальных тросов). На
воздушных линиях применяются: деревянные, стальные и ж/б опоры.
1. Определение физико-механических характеристик
провода
.1
Конструкция провода
Обозначение: АС 300/39
АС - сталеалюминевый
– 300 и 39 - площадь сечения алюминиевой и стальной
частей провода (соответственно), в мм2.
Конструкция провода
|
Марка провода
|
Число и диаметр
проволоки
|
Расчетное
сечение в мм2
|
|
Алюминиевой
части
|
Стальной части
|
Алюминиевой
части
|
Стальной части
|
Всего провода
|
|
АС 300/39
|
24х4
|
7х2,65
|
301
|
38,6
|
339,6
|
|
Расчетный
диаметр
|
Разрывное
усилие, дан
|
Масса провода,
кг/км
|
Электрическое
сопротивление при 200С, Ом/км
|
|
Стальной части
|
Всего провода
|
|
|
|
|
8
|
24
|
8916
|
1132
|
0,098
|
Для провода АС 300/39 а = А/С = 301/38,6=7,8
1.2
Механические характеристики и допускаемые напряжения провода АС 300/39
|
Марка провода
|
Приведенная
нагрузка от собственной массы, дан/мм2
|
Модуль
упругости, дан/мм2
|
Температурный
коэффициент линейного расширения
|
|
АС 300/39
|
3,34*10-3
|
7,7*10 3
|
19,8*10-6
|
|
Предел
прочности при растяжении, дан/мм2
|
Наибольшее
допускаемое напряжение, дан/мм2
|
Допускаемое
напряжение при среднегодовой температуре, дан/мм2
|
|
27
|
12,2
|
8,1
|
Сводная таблица физико-математических характеристик
провода
|
Наименование параметра
|
Обозначение
|
Единица
измерения
|
Величина
|
|
|
|
Провода АС
95/16
|
|
1
|
Масса 1 км.
|
m
|
кг/км
|
1132
|
|
2
|
Фактическое
сечение
|
|
|
|
|
А
|
Алюминиевой
части
|
A
|
мм2
|
301
|
|
Б
|
Стальной части
|
C
|
мм2
|
38,6
|
|
В
|
Всего
|
|
мм2
|
339,6
|
|
3
|
Отношение
алюминия к стали
|
|
а=А:С
|
7,8
|
|
4
|
Диаметр
|
d
|
Мм
|
24
|
|
5
|
Приведенная
нагрузка от собственного веса
|
g
|
 3,34*10-3
|
|
|
6
|
Модуль
упругости
|
E
|
 7,7*10 3
|
|
|
7
|
Температурный
коэффициент линейного расширения
|
a
|
град-1
|
19,8*10-6
|
|
8
|
Предел
прочности при растяжении
|
sвр
|
27
|
|
|
9
|
Допускаемое
напряжение
|
{s}
|
|
|
а Максимальная нагрузка, минимальная температура {smax} {s t min} sг ,
,2
Б При среднегодовой температуре {stэ} ,
,1
2.
Физико-механические характеристики унифицированной стальной опоры типа П-330-1
Опора типа П-330-1 промежуточная,
рассчитанная на напряжение 330 кВ, одноцепная для заданных климатических
условий и провода имеет паспортные данные.
|
Тип опоры
|
Заданные
условия
|
Расчетные
пролеты
|
Масса опоры, кг
|
|
Провод
|
Район по
гололеду
|
Район по
ветровой нагрузке
|
Габаритный
|
Ветровой
|
Весовой
|
c Zn
|
без Zn
|
|
П-330-1
|
АС 300/39
|
II
|
II
|
470
|
495
|
590
|
5020
|
4860
|
Примечание: Длина поддерживающей гирлянды изоляторов l (для 330 кВ) = 3,5 м.
3.
Определение высоты приведенного центра тяжести провода и троса.
.1
Определение наибольших стрел провеса провода [fпр] и грозозащитного троса [fтр]
Согласно ПУЭ наименьшее допускаемое расстояние от провода до
земли в населенной местности, доступной для транспорта и сельскохозяйственных
машин для напряжения 330 кВ составляет Г=7,5 метров. Расчет грозозащитного
троса производится в условия соблюдения расстояний между проводами и тросом и
проводом в середине пролета. Наименьшее расстояние по вертикали между тросом и
проводом в середине пролета (ZТ) при температуре 150С без ветра,
требуемое ПУЭ для Lгаб=470 м. составляет
[fПР] = h1-l-Г-Dh =25,5-3,5-7,5-0,2=14,3
м.
.2
Средняя высота подвеса провода
Для опор башенного типа средняя высота подвеса проводов:
м
Высота приведенного центра тяжести провода:
hПР=hСР - 2/3[fПР]=15,03
м.
4.
Определение погонных (единичных) и приведенных удельных нагрузок на элементы
воздушных линий электропередач
Исходные данные:
Сталеалюминевый провод АС300/39 для воздушных линий 330 кВ,
ветровой район - II, район по гололеду - II.
Провод АС 300/39: общее сечение 339,6 мм2; диаметр
24 мм., масса одного километра 1132 кг.
Внешние нагрузки на ЛЭП можно разделить на следующие виды:
1. Собственный вес - вертикальная нагрузка.
2. Ветровая нагрузка - горизонтальная
. Гололедная нагрузка - вертикальная
. Комбинация перечисленных нагрузок
Погонная (единичная) нагрузка - нагрузка на 1 метр длины.
Обозначение: Pi: [
]
Удельная нагрузка - единичная нагрузка, приведенная на 1 мм2
сечения.
Обозначение: gi: []
, где S - площадь фактического сечения провода.
4.1
Нагрузка от собственного веса
Провод: 
=1,132 .
.
.2
Единичная нагрузка от веса гололеда
P2=0.9pCmax(d+Cmax)*10-3
d - диаметр провода
Смах - максимальная толщина стенки гололеда.
Нормативная толщина стенки гололеда (в мм) для высоты 10 м.
над поверхностью моря
|
Район по
гололеду
|
Повторяемость
|
|
|
1 раз в 5
лет
|
1 раз в 10
лет
|
|
I
|
5
|
5
|
|
II
|
5
|
10
|
|
III
|
10
|
15
|
|
IV
|
15
|
20
|
|
Особый
|
20 и более
|
более 22
|
Cmax=10;
.
4.3
Результирующая весовая нагрузка провода с гололедом
6,16*10-3 
.4
Ветровая нагрузка провод без гололеда
Где: q - скоростной напор ветра
Ветровая нагрузка 
, V - скорость ветра
Нормативные скоростные напоры и скорости ветра для высоты до
15 м. над землей
|
Ветровой район
|
Повторяемость
|
|
1 раз в 5 лет
|
1 раз в 10 лет
|
1 раз в 15 лет
|
|
q
|
V
|
Q
|
V
|
Q
|
V
|
|
I
|
27
|
21
|
40
|
25
|
55
|
30
|
|
II
|
35
|
24
|
40
|
25
|
55
|
30
|
|
III
|
45
|
27
|
50
|
29
|
55
|
30
|
|
IV
|
55
|
30
|
65
|
32
|
80
|
36
|
|
V
|
70
|
30
|
80
|
36
|
80
|
36
|
Для II ветрового района: q = 40 
= 25 
F - площадь метрового сечения метрового отрезка провода в мм2
F = d*10-3 м2
F ПР = 24*10-3 м2
j - угол между
направлением ветра и проводом (тросом)
j=90 0 => sinj
= 1
CX - аэродинамический
коэффициент (коэффициент любого сопротивления), зависит от скорости ветра,
плотности воздуха, формы, протяженности и шероховатости обдуваемой поверхности.
Согласно ПУЭ Сх = 1,1 - для проводов и тросов более 20 мм., для проводов
и тросов диаметром менее 20 мм. Сх = 1,2, а также для проводов и тросов любого
диаметра, покрытых гололедом.
a(q) - коэффициент,
учитывающий неравномерность скоростного напора ветра.
Значение a(q)
|
q, дан/мм2
|
До 27
|
40
|
55
|
76 и более
|
|
a(q)
|
1
|
0,85
|
0,75
|
0,7
|
КН - коэффициент, учитывающий увеличение
скоростного напора ветра по высоте (зависит от высоты приведенного центра
тяжести провода)
Зависимость КН от hЦТприв
|
hЦТприв
|
До 15
|
20
|
30
|
40
|
60
|
100
|
200
|
300 и более
|
|
КН
|
1,0
|
1,25
|
1,4
|
1,55
|
1,75
|
2,1
|
2,6
|
3,1
|
KH=1;
Промежуточные значения определяются методами линейной
интерполяции.
KL - коэффициент, зависящий от длины
габаритного пролета.
Зависимость КL от lгаб
|
lгаб
|
0
|
100
|
150
|
250 и более
|
|
KL
|
1,2
|
1,1
|
1,05
|
1
|
KL=1;
.5
Зависимость нагрузки на провод с гололедом
q5 = 0.25q = 10 где q - нормативный скоростной напор ветра.
a5 = a(0,25q)
= 1; Cx* = 1,1;пр* = (d+2 Cmax)*10-3
=44*10-35пр = a5KLKHCX*0.25qFпр* =
0,484
.6
Результирующая нагрузка на провод при отсутствии гололеда
Р6=
=>
Р6пр = 1,445
4,255*10-3 
4.7
Результирующая нагрузка на провод при ветре и гололеде
Р7 =
=>
Р7 пр =2,148
6,325*10-3 
Единичные и удельные нагрузки на провод.
|
Нагрузка
|
Провод
|
|
Pi,  gi, 
|
|
|
P1,
g1
|
1,132
|
0,00333
|
|
P2
|
0,961
|
-
|
|
P3,
g3
|
2,093
|
0,00616
|
|
P4
|
0,8976
|
-
|
|
P5
|
0,484
|
-
|
|
P6, g6
|
1,445
|
0,004255
|
|
P7, g7
|
2,148
|
0,006325
|
Вывод: наибольшей нагрузкой на провод и трос является
нагрузка P7, g7, то есть при ветре и гололеде.
5.
Вычисление критических пролетов. Выбор исходного режима для расчета провода
.1
Уравнение состояния провода - зависимость напряжения в проводе от изменения
нагрузки и температуры.
Параметры:
gI sI tI - исходный режим
gII sII tII - состояние и климатический режим в котором
находится провод.
l - расстояние между опорами,
Е - модуль упругости.
a-температурный коэффициент расширения.
.2
Определение критических пролетов
Определение 1: Критическим пролетом называется пролет (L), вычисленный из
уравнения состояния провода при заданных исходных и конечных параметрах.
(gI sI tI gII sII tII)
Определение 2: Первым критическим пролетом называется пролет такой
длины, при котором напряжение проводе в режиме среднегодовой температуры равно
допускаемому напряжению в том же режиме (sII=[stэ]), а в режиме наименьше температуры равно допускаемому напряжению
при наименьшей температуре.
[sI]= [stmin]
Определение 3: Вторым критическим пролетом называется пролет
такой длины, при котором напряжение в проводе в режиме максимальных нагрузок и
низких температур равно своим допускаемым напряжениям в этих режимах.
[sII]=[smax] sI=[st min]
Определение 4: Третьим критическим пролетом называется пролет
такой длины, при которой напряжение в проводе в режиме максимальной нагрузки и
среднегодовой температуры равно своим допустимым напряжениям.
[sII]=[stэ] sI=[smax]
5.3
Выбор исходного режима по соотношению критических пролетов
|
Случай
|
Соотношение
|
Исходное
напряжение
|
Расчетный
критический пролет
|
|
1
|
L 1кр< L 2кр< L 3кр
|
[stmin]; [smax]; [stэ]
|
L1кр; L 2кр
|
|
2
|
L 1кр> L 2кр> L 3кр
|
[stmin]; [smax]
|
L
2кр
|
|
3
|
L 1кр - мнимый L 2кр< L 3кр
|
[smax]; [stэ]
|
L3кр
|
|
4
|
L3кр - мнимый L1кр<l2кр
|
[stmin]; [stэ]
|
L1кр
|
Вывод: выполняется условие L 1кр < L 2кр< L 3кр, следовательно, L 1 кр; L2кр -
расчетный пролет
[stmin]; [smax]; [stэ] - исходные напряжения.
6.
Расчет на прочность и жесткость провода АС 300/39
.1
Определение напряжений и стрел провеса для расчетных режимов
gисх, sисх, tисх выбираем из таблицы 6.1. => [sисх]=[smax]=12,2
gисх=gmax=g7=0,006325
; tисх=tГ=-50C.
Рассчитаем по уравнению состояние провода si затем по формуле 
найдем стрелы провеса провода.
Расчетные режимы провода
|
Расчетный
режим, i
|
Сочетание
климатических условий
|
Номер нагрузки,
даН/мм2м
|
|
I
|
Провод и трос
покрыты гололедом, скоростной напор ветра 0,25q tI=tГ =-5
0
|
gI=g7 =0,006325
|
|
II
|
Провод покрыт
гололедом, ветра нет tII=tГ =-5 0
|
gII=g3 =0,00616
|
|
III
|
Скоростной
напор ветра равен q, гололеда нет tIII=tГ =-5
0
|
gIII=g6 =0,004253
|
|
IV
|
Среднегодовая
температура, ветра и гололеда нет. TIV=tЭ =-5 0
|
gIV=g1 =0,00333
|
|
V
|
Ветра и гололеда
нет tV=15 0
|
gV=g1 =0,00333
|
|
VI
|
Ветра и
гололеда нет tVI=tmin =-40 0
|
gVI=g1 =0,00333
|
|
VII
|
Ветра и
гололеда нет tVI=tmax =+30
0
|
gVII=g1 =0,00333
|
Расчет режимов:
; .
si =12.2 
=14,32 м
II. 
si = 11,96
=14,22 м
III. 
si = 9
=13,05 м
IV.
si = 7,42
=12,39 м
V. 
si = 6,85
=13,42 м
VI. 
si = 8,75
=10,5 м
VII. 
si = 6,49
=14,17 м
Результаты расчетов сведем в таблицу
Напряжения и стрелы провеса в расчетных режимах
|
№ pежима
|
sI  smaxfi, м[fпр], м
|
|
|
|
|
I
|
12,2
|
12,2
|
14,3
|
14,3
|
|
II
|
11,96
|
|
14,22
|
|
|
III
|
9
|
|
13,05
|
|
|
IV
|
7,42
|
|
12,39
|
|
|
V
|
6,85
|
|
13,42
|
|
|
VI
|
8,75
|
|
10,5
|
|
|
VII
|
4,49
|
|
14,17
|
|
Выводы:
1. Для всех режимов условия прочности провода
выполняются.
2. Условия жесткости выполняются во всех режимах.
.2
Определение критической температуры
Критической температурой называется такая температура, при
которой стрела провеса провода под действием собственного веса равна стреле
провеса при наличие гололеда.
=31,760C
t max=+300C;
7.
Расстановка опор по профилю трассы
.1
Построение разбивочного шаблона
Разбивочный шаблон представляет собой 3 квадратичные
параболы. С его помощью производится расстановка опор по профилю трассы.
Параболы
1 - кривая провисания, строится по уравнению 
где Кш - масштабный коэффициент
шаблона; 
, где fmax = 14,3
максимальная стрела провеса провода, lш = lгаб = 470 метров => Кш = 2,59
- габаритная кривая, hгаб = Г+Dh =7,5+0,2=7,7
- земляная кривая, h0 = h1-l = 25,5-3,5=22,5;
Данные для построения параболы шаблона
|
X
|
0
|
25
|
50
|
75
|
100
|
125
|
150
|
175
|
200
|
250
|
300
|
|
Y
|
0
|
0,16
|
0,65
|
1,46
|
2,59
|
4,05
|
5,83
|
7,93
|
10,36
|
16,19
|
23,31
|
7.2
Правила расстановки опор
1. Профиль трассы строится произвольно. Расстановка
опор производится по длине анкерованного участка, и место установки первой
анкерной опоры выбирается произвольно.
2. Шаблон устанавливается строго вертикально.
. Левая ветвь земляной кривой 3 пересекает точку
установки первой промежуточной опоры.
. Шаблон устанавливается так, чтобы габаритная кривая
3 с профилем трассы будет местом установки следующей опоры.
7.3
Проверка правильности расстановки опор по профилю трассы
Определение 1: Габаритный пролет
при расстановке опор на идеально ровной местности возможная наибольшая длина
пролета может быть определена от максимальной стрелы провеса f, которую можно допустить при заданной высоте
подвеса провода на опоре Н и минимальном габарите от провода до земли Г,
требуемое ПУЭ, для линии данного напряжения.
Определение 2: Пролет, равный полусумме пролетов, прилегающих к
одной опоре называется ветровым: lветр
470 м = [lветр];
=500 м; lветр2 = 
=490 м; lветр3 =
=555 м
Определение 3: Расстояние по горизонтали между нижними точками
провеса в соседних пролетах называется ветровым пролетом.
Рельеф местности
LВЕС<=[LПРвес]=610 м; Lвес1<[lвес] = 485 м; Lвес2<[lвес] = 460 м; Lвес2<[lвес]=600
При различных значениях пролета в пределах анкерного участка линии
в проводах устанавливается напряжение, соответствующее значению так называемого
приведенного пролета, определяемого по формуле:
513 м;
Длина приведенного пролета должна отличаться от lш=lгаб=470 м, не более чем на 10%.
.
Если условие не выполняется, то расстановка опор проводится
заново, принимая
lш = lпр
Заключение
В
ходе выполненного курсового проекта были проведены проверочные расчеты на
прочность и жесткость одноцепной воздушной линии электропередачи напряжением
330 кВ, проходящей по ненаселенной местности. ВЛ спроектирована на
промежуточных опорах типа П-330-1 с использованием провода марки АС-300/39.
Длина габаритного пролета составила 470 м. С помощью разбивочного шаблона
произведена разметка профиля трассы ЛЭП и расстановка опор.
Список
используемой литературы
1. Крюков
К.П., Новогородцев Б.П. «Конструирование и механический расчет ЛЭП», «Энергия»,
1979 г.
2. «ПУЭ»,
1987 г.
. Справочник
по электротехническим установкам высокого напряжения, под редакцией Баунштейна
и Бажанова, Москва, «Энергоатомиздат», 1989 г.
. Справочник
по сооружению ЛЭП напряжением 37-750 кВ, под редакцией Реута М.А., Москва,
«Энергоатомиздат», 1990 г.