Механический расчет линии электропередачи. Методические указания к семестровому заданию (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»

Механический расчет

линии электропередачи

Методические указания

к семестровому заданию

РПК «Политехник»

Волгоград

2005

УДК 6

М 55

Механический расчет линии электропередачи: Методические указания к семестровому заданию / Сост. ; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2005. – 34 с.

Излагаются рекомендации для выполнения семестрового задания, перечисляются вопросы, которые необходимо отработать, указывается порядок выполнения задания. Представлены рекомендуемые методы расчета, приводятся необходимые справочные данные специального характера, которые сложно найти в справочной и специальной литературе.

Предназначены в помощь студентам направления 551«Электроэнергетика», изучающим дисциплину «Электропитающие системы и электрические сети».

Ил. 11. Табл. 9. Библиогр.: 4 назв.

Резензент

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

 

© Волгоградский

государственный

технический

университет, 2005

ВВЕДЕНИЕ

Семестровое задание по дисциплине «Электропитающие системы и электрические сети» включает в себя механический расчет проводов в пролете электрической сети.

В качестве основных исходных используются данные, полученные в курсовом проекте.

Целью семестрового задания является систематизация и закрепление полученных студентами теоретических знаний по конструкции, механическому расчету проводов электрической сети, а также получение практических навыков проектирования линий электропередачи.

Данные методические указания содержат все необходимые рекомендации, позволяющие выполнить семестровое задание в полном объеме и которые в технической литературе изложены неполно и разрознено.

ОБЪЕМ И СОДЕРЖАНИЕ СЕМЕСТРОВОГО ЗАДАНИЯ

Цель семестрового задания – развить у студентов навыки самостоятельного приложения знаний, полученных на основе изучения теоретического материала, решить небольшую комплексную задачу проектного характера. Кроме того выполнение семестрового задания дает определенный опыт, необходимый для продуктивной инженерной деятельности, систематизирует приобретенные теоретические знания не только данного предмета, но и других дисциплин курса обучения.

Семестровое задание состоит из пояснительной записки, схем и рисунков, вкладываемых в пояснительную записку.

Пояснительная записка оформляется в соответствии с общими требованиями к текстовым документам согласно ГОСТ – 95ТД; «ЕСКД. Общие требования к текстовым документам» на одной стороне листов белой бумаги формата А4.

При затруднении принятия того или иного технического решения следует обращаться за консультацией к преподавателю. Не рекомендуется брать консультации по одному и тому же вопросу одновременно у разных специалистов, так как их мнения могут не совпадать.

1.  РАССЧЕТНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Согласно ПУЭ – 2003 г. п 2.5.9. Механический расчет проводов и тросов воздушной линии производится по методу допускаемых напряжений, расчет изоляторов и арматуры – по методу разрушающих нагрузок.

При определении расчетных нагрузок следует исходить из наиболее невыгодных сочетаний климатических условий, наблюдаемых не реже одного раза в последние 15 лет – для воздушных линий напряжением 500 кВ и выше, 10 лет – для линий напряжением 110 – 330 кВ и 5 лет – для линий напряжением 35 кВ и ниже.

Расчет воздушной линии по нормальному режиму работы необходимо проводить для сочетания следующих условий:

1. Высшая температура t+, ветер и гололед отсутствуют;

2. Низшая температура t_, ветер и гололед отсутствуют;

3. Среднегодовая температура tэ, ветер и гололед отсутствуют;

4. Провода и тросы покрыты гололёдом, температура при гололеде
tг = –50С, ветер отсутствует;

5. Ветер, температура –50С, гололед отсутствует;

6. Провода и тросы покрыты гололедом, ветер при гололеде,
температура –50С;

7. Расчетная нагрузка от тяжения проводов.

Расчет воздушной линии по аварийному режиму работы необходимо производить для сочетания следующих условий:

1. Среднегодовая температура tэ, ветер и гололед отсутствуют;

2. Низшая температура t_, ветер и гололед отсутствуют;

3. Провода и тросы покрыты гололёдом, температура при гололеде
tг = –50С, ветер отсутствует;

4. Расчетная нагрузка от тяжения проводов.

К воздушной линии предъявляется ряд требований, которые в основном изложены в главе 2,5 [1].

2. ВЫБОР ТРАССЫ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ

Трасса воздушной линии должна иметь наименьшую протяженность. При этом необходимо стремиться к минимальному количеству переходов через искусственные и естественные препятствия (дороги, реки и т. д.), чтобы трасса имела минимальное количество поворотов. По возможности следует избегать вырубки зеленых насаждений. Ибо все перечисленное выше ведет к увеличению капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Тип опор выбирается из условия напряжения линии и климатического района. Изоляторы, линейная арматура выбираются в зависимости от напряжения воздушной линии и типа опор. Марка провода и его сечение зависит от электрической нагрузки.

3. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОВОДОВ

ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ

3.1. Основные характеристики провода в пролете.

Расстояние по горизонтали между точками подвеса А и В называется пролетом (рис 1) и обозначается буквой l; расстояние по вертикали в середине пролета между проводами и прямой АВ, соединяющей точки подвеса, называется стрелой провеса и обозначается буквой f; наименьшее расстояние от проводов линии до поверхности земли h называется габаритом. Все эти величины измеряются в метрах.

Сила, действующая в любой точке провода, называется тяжением и обозначается буквой Т. Тяжение измеряют в Ньютанах (Н). Сила, действующая на единицу сечения провода, называется напряжением и обозначается буквой σ

σ = T/F. Напряжение измеряется в Н/м2 (Н/мм2).

Рис 1. Характеристики провода в пролете.

3.2. Механические нагрузки проводов и тросов

Провода и тросы воздушных линий находятся постоянно под действием вертикальной нагрузки от собственного веса (масса провода). К этой нагрузке добавляются временная вертикальная нагрузка от гололеда (масса гололеда) и временная горизонтальная нагрузка от давления ветра. В результате действия нагрузок в металле проводов возникают напряжения на растяжения. На их величину влияет также температура окружающего воздуха, что заставляет учитывать её в расчетах.

В расчетах механической прочности проводов вводят понятие удельных нагрузок Н/м3 (Н/м · мм2), то есть таких нагрузок, которые провод длиной 1м испытывает на 1 мм2 своего поперечного сечения.

При проектировании линии электропередачи важно, чтобы величина габарита h не превышала допустимого значения, определяемого ПУЭ (табл 2.5.20 – 2.5.22). Поэтому для заданного пролета и выбранного типа опор определяют габарит h, затем определяют наибольшую допустимую стрелу провеса fнб. В дальнейшем при расчете режимов провода в пролете, определяют стрелу провеса в каждом режиме по формуле:

,

где γ и σ берутся согласно расчетного режима.

И сравнивают с наибольшей допустимой стрелой провеса. Должно выполняться условие f < fнб.

3.2.1.Удельная нагрузка от массы провода:

,

где G0 – масса 1м провода в кГ;

F – действительное сечение провода в мм2;

g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.

3.2.2. Удельная нагрузка от массы гололеда:

Рис 2. Поперечное сечение провода с гололедом.

При определении нагрузки от массы гололеда все виды обледенения приводят к чистому гололеду цилиндрической формы с объемной массой g0 = 0,9·10-3 кГ/см3 и считают, что стенка гололеда вокруг провода диаметром d имеет повсюду одинаковую толщину с (рис 2).

,

где d – действительный диаметр провода в мм

с – толщина стенки гололеда в мм (рис 2)

3.2.3. Удельная нагрузка от массы провода и гололеда

Эти нагрузки действуют в одном вертикальном направлении и поэтому складываются арифметически.

.

3.2.4. Удельная нагрузка от давления ветра

,

где W – ветровое давление в Н/м2; W = v2/1.6 v – скорость ветра;

cx – аэродинамический коэффициент, равный 1,1 для проводов диаметром 20 мм и более и 1,2 – для проводов диаметром до 20 мм, а также для всех проводов, покрытых гололедом;

α – коэффициент, учитывающий неравномерность скорости ветра по длине пролета; величину α принимают в зависимости от ветрового давления W

W Н/м3	до 270	400	550	700 и более
α	1	0,85	0,75	0,70

3.2.5. Удельная нагрузка от давления ветра на провод,

покрытый гололедом

3.2.6. Суммарная удельная нагрузка от массы провода и

давления ветра

Данная нагрузка находится как геометрическая сумма γ1 и γ4

3.2.7. Суммарная удельная нагрузка от массы провода

с гололедом и давления ветра

Данная нагрузка находится как геометрическая сумма γ3 и γ5

Пример 3 – 1 Определить удельные нагрузки на провод АС – 120/27. Линия расположена в Волгоградской области.

По карте районирования территории России определяем, что Волгоградская область относится по толщине стенки гололеда к 4 району и ветровому давлению к 3 району.

По таблице 2.5.1 [Л – 1] определяем W = 650 Н/м3 и по таблице 2.5.3 ПУЭ – с = 25 мм. Высшая температура t+ = 400C; низшая температура t– = -400C; температура образования гололеда tг = -50С; среднегодовая температура

tэ = 00С.

По справочнику [Л3 ] определяем:

расчетное сечение провода F = 116+26.6 =142.6 мм2;

расчетный диаметр d = 15.5 мм;

масса провода G0 = 528 кГ/км

Удельная нагрузка от массы провода по формуле (3 – 1)

Удельная нагрузка от гололеда по формуле (3 – 2)

Удельная нагрузка от веса провода и гололеда по формуле (3 – 3)

Удельная нагрузка от давления ветра на провод без гололеда
по формуле (3 – 4).

Для W = 650 Н/м3 принимаем α = 0,75 и для провода диаметром
d = 15.5 мм сх = 1,2

Удельная нагрузка от давления ветра на провод покрытый гололедом
по формуле (3 – 5).

Так как для данного случая W = 0.25W, то α = 1,0, а сх = 1,2

Суммарная удельная нагрузка на провод от массы провода и давления ветра по формуле (3 – 6).

Суммарная удельная нагрузка на провод от массы провода с гололедом и давления ветра по формуле (3 – 7).

3.3. Расчет проводов

В настоящее время на воздушных линиях применяются многопроволочные монометаллические провода марок: алюминиевые А и стальные ПС и ПМС. Сталеалюминевые провода марок АС, АСО, АСУ.

Расчет проводов производится по допускаемым напряжениям в трех исходных условиях:

1. Напряжения при наибольшей нагрузке σг;

2. Напряжения при низшей температуре σ– ;

3. Напряжения при среднегодовой температуре σэ.

3.3.1  Расчет алюминиевых проводов

Алюминиевые провода рассчитываются для следующих условий:

1.  Наибольшей внешней нагрузке (γ7, tг);

2.  Низшей температуре, ветра и гололеда нет (γ1, t– );

3.  Среднегодовой температуре, ветра и гололеда нет (γ1, tэ).

При толщине стенки гололеда с = 10 мм и любых значениях пролетов, а также при толщине стенки гололеда 5 мм и пролетах до 180 м расчет алюминиевых проводов производится с учетом только второго критического пролета.

Для алюминиевых проводов при наибольшей нагрузке и низшей температуре допускаются одинаковые напряжения:

σдоп = σг = σ– = 0,5 σп,

где σп – предел прочности материала.

Расчет проводов производится по уравнению состояния провода в пролете.

Для пролетов меньше критического:

Для пролетов больше критического

В уравнения (3 – 9) и (3 – 10) следует подставлять значения γ и t, соответствующие вычисляемым режимам.

В расчетах алюминиевых проводов А-95 – А-185 при толщине стенки гололеда 5 мм и пролетах более 180 м необходимо вычислять значения всех трех критических пролетов. Второй критический пролет определяется по формуле (3 – 8), а первый и третий вычисляются по формулам:

,

Пример 3 – 2. Рассчитать провод А – 120 в пролете 80 м. Линия расположена в Волгоградской области.

Решение. Характеристика провода.

По табл. 8.44 [Л – 3]

Расчетное сечение провода F = 117 мм2;

Диаметр провода d = 14.0 мм;

Масса провода G0 = 321 кГ/км;

Климатические условия

По таблице 2.5.1 [Л – 1] определяем W = 650 Н/м3 и по таблице 2.5.3 ПУЭ с = 25 мм. Высшая температура t+ = 400C; низшая температура t– = -400C; температура образования гололеда tг = -50С; среднегодовая температура

tэ = 00С.

Физико-механические свойства провода

По таблице 2,5,7 [Л – 1] σг = σ– = 64 Н/мм2 σэ = 51 Н/мм2

По таблице 2,5,8 [Л – 1] Е = 6,3·104 Н/мм2 α = 23·10-6 град-1

Определяем удельные расчетные нагрузки

Второй критический пролет

Так как заданный пролет больше второго критического пролета
(l > l2кр), то расчет следует вести по уравнению (3 – 10).

Определяем напряжение в проводе для режимов согласно таблице 2

Первый режим является исходным

σ = σдоп = 64 Мпа

Стрела провеса для этого режима

Второй режим

Стрела провеса для второго режима

Третий режим

Стрела провеса для третьего режима

Четвертый режим

Стрела провеса для четвертого режима

Пятый режим

Стрела провеса для пятого режима

Шестой режим

Стрела провеса для шестого режима

Седьмой режим

Стрела провеса для седьмого режима

Критическая температура

Так как tкр < t+, то максимальная стрела провеса будет при высшей температуре.

3.3.2  Расчет сталеалюминевых проводов

В работе сталеалюминиевого провода участвуют два металла, обладающими различными физико-механическими свойствами и поэтому по-разному воспринимающие действие внешней силы и изменение температуры.

При расчете сталеалюминиевого провода следует учитывать значения трех критических пролетов.

Первый критический пролет, l1кр – пролет, в котором напряжение в проводе при низшей температуре достигает допустимого значения σ_, а при среднегодовой температуре – допускаемого значения σэ.

Второй критический пролет, l2кр – пролет, в котором напряжение в проводе при наибольшей нагрузке достигает допустимого значения σг, а при низшей температуре – допустимого значения σ_.

Третий критический пролет, l3кр – пролет, в котором напряжение в проводе при среднегодовой температуре достигает допустимого значения σэ, а при наибольшей нагрузке достигает допустимого значения σг.

Определим уравнения состояния провода в пролете с учетом трех критических пролетов.

Предположим, что расчет ведется с учетом только второго критического пролета. В этом случае расчет в пролете меньше критического следует вести исходя из допускаемых напряжений при низшей температуре (σ_), а в пролетах больше критического – исходя из напряжений при наибольшей нагрузке (σг).

Построим соответствующие кривые (рис 3).

Рис 3. График зависимости напряжения от пролета

для сталеалюминиевого провода (первый случай).

Вначале наносим исходные напряжения. Для пролетов меньше l2кр это σ_, а для пролетов больше критического это σг. Построим также кривую σэ = f(l) и проведем горизонтальную прямую АВ с ординатой 0,25σп. Если прямая АВ пересечет кривую σэ = f(l), то абсциссы точек пересечения С и D определяют значения критических пролетов l1кр и l3кр. В точке С напряжения достигают допускаемых значений при среднегодовой и низшей температурах, а в точке D – при среднегодовой температуре и при наибольшей нагрузке. На участке CD значения σэ превышают значения 0,25σп, т. е. не удовлетворяют требованиям. Поэтому в диапазоне пролетов l1кр > l > l3кр следует принимать в качестве исходного значения σэ = 0,25σп и определять из этого σ_ и σг. Откорректированные значения σ_ и σг показаны на рис 2 штрихом.

Следовательно, уравнения состояния провода в пролете с учетом трех критических пролетов имеют вид:

Для пролетов l < l1кр

Для пролетов l1кр < l < l3кр

Для пролетов l > l3кр

Соотношение критических пролетов при котором l1кр < l2кр < l3кр, является лишь одним (первым) из возможных случаев.

Во втором возможном случае кривая σэ лежит ниже прямой АВ (рис4)

Рис 4. График зависимости напряжения от пролета

для сталеалюминиевого провода (второй случай).

В этом случае значения σэ вычисленные на основании σ_ и σг не превышают допускаемых: поэтому расчет провода можно вести исходя из σ_ и σг, с разграничением по второму критическому пролету. Как следует из рис 3 при l1кр > l2кр > l3кр, пролеты l1кр и l3кр являются фиктивными; в расчете надо учитывать только второй критический пролет.

При l < l2кр расчет провода ведется по уравнению (3 – 16)

При l > l2кр расчет провода ведется по уравнению (3 – 18)

В третьем возможном случае левая ветвь кривой σэ вообще не пересекается с прямой АВ (рис 5).

Рис 5. График зависимости напряжения от пролета

для сталеалюминиевого провода (третий случай).

Этому случаю соответствует мнимое значение l1кр и фиктивное l2кр. В данном случае следует учитывать только значение пролета l3кр.

При l < l3кр расчет провода ведется по уравнению (3 – 17)

При l > l3кр расчет провода ведется по уравнению (3 – 18)

В четвертом случае правая ветвь кривой σэ не пересекает прямой АВ (рис6)

Рис 6. График зависимости напряжения от пролета

для сталеалюминиевого провода (четвертый случай).

Этому случаю соответствует мнимое значение l3кр и фиктивное l2кр. В данном случае следует учитывать только значение пролета l1кр.

При l < l1кр расчет провода ведется по уравнению (3 – 16)

При l > l1кр расчет провода ведется по уравнению (3 – 17)

Полученные соотношения сводим в таблицу.

Таблица 1

Соотношения, определяющие исходные условия

для расчета проводов

Случай	Соотношение пролетов	Исходные напряжения	Расчетный критический пролет
1	l1кр < l2кр < l3кр	σ_, σэ, σг	l1кр и l3кр
2	l1кр > l2кр > l3кр,	σ_, σг	l2кр
3	l1кр мнимый, l2кр < l3кр	σэ, σг	l3кр
4	l3кр мнимый, l1кр < l2кр	σ_, σэ	l1кр

В расчетах монометаллических и сталеалюминиевых проводов принимают следующие режимы (таблица 2)

Таблица 2

Расчетные режимы проводов

Расчетные режимы	Сочетание климатических условий	Удельная нагрузка
1	Провода и тросы покрыты гололедом, t = –50С, ветровое давление 0,25W	γ7
2	Провода и тросы покрыты гололедом, t = –50С, ветра нет (W = 0)	γ3
3	Ветровое давление W, t = –50С, гололеда нет	γ6
4	Среднегодовая температура tэ. Ветра и гололеда нет	γ1
5	t = +150C, ветра и гололеда нет	γ1
6	Низшая температура t_, ветра и гололеда нет	γ1
7	Максимальная температура t+, ветра и гололеда нет	γ1

Сравнивая наибольшее полученные значения напряжения с допускаемым напряжением для рассчитываемого провода, делается вывод о пригодности (непригодности) данного провода по условиям механической прочности.