Механическая часть воздушных линий электропередачи

Воздушные линии электропередач (ВЛ) предназначены для передачи электроэнергии на расстояния. Основными элементами воздушных линий являются провода и тросы, опоры, изоляторы, линейная арматура и т.д.

В учебнике производится расчет линии электропередач 110 кВ, выполненой проводом АС-120/19 и тросе ТК-50, в анкерном пролете на механическую прочность. Расчетные значения напряжений в проводе АС- 120/19 и тросе ТК-50 не должны превышать допустимых при любых погодных условиях, возможных в данной местности. Стрелы провеса провода и троса также не должны превышать допустимых значений в любом режиме.

Проектирование механической части воздушных ЛЭП включает следующие основные этапы:

• расчет механических нагрузок на элементы ВЛ;
• выбор элементов ВЛ (опор, изоляторов, арматуры и др.);
• расчет элементов ВЛ на механическую прочность;
• расстановку опор по профилю трассы;
• расчет перехода через инженерное сооружение (наземный трубопровод);
• расчет монтажных стрел провеса проводов и тросов.

1. Определение физико-механических характеристик провода и троса ВЛ

1.1. Характеристики и конструкция провода

В качестве примера рассмотрим ВЛ напряжением 110 кВ выполненой многопроволочным сталеалюминиевым проводом марки АС-185/29. Буквами в марке провода обозначается материал жилы, то есть Аалюминий, С — сталь. Цифрами обозначается номинальное сечение провода: проводящей части (в числителе) и стальной (в знаменателе). Алюминий и сталь имеют различные механические характеристики. Практический расчет сталеалюминиевых проводов обычно ведется по характеристикам, приведенным к проводу в целом, то есть формально провод считается выполненным из одного материала. Физико-механические характеристики провода приведены в таблице 1.

Таблица 1. Физико-механические характеристики провода АС-185/29

Конструкция сталеалюминиевого провода марки АС-185/29 показана на рис. 1.

Рис. 1. Поперечное сечение сталеалюминиевого провода

1.2. Выбор унифицированной опоры

Согласно унификации, для каждого типа опор установлены условия применения: напряжение ВЛ, число цепей, район по гололеду, максимальная скорость ветра, диапазоны марок проводов, марки тросов. По этим условиям в справочниках выбирается соответствующий тип опоры, в наименовании которого отражены следующие признаки:

1. вид опоры: П — промежуточная, У — угловая (промежуточная или анкерная), С — специализированная;
2. материал опоры: Д — дерево, Б — железобетон, для металлических решетчатых опор буквенное обозначение отсутствует, для многогранных используется буква М;
3. номинальное напряжение ВЛ;
4. типоразмер — это цифра, отражающая прочностные свойства опоры: четная цифра присвоена двухцепной опоре, нечетная — одноцепной.

Для воздушной линии используются опоры ПМ110-1 — промежуточная одноцепная металлическая многогранная опора, предназначенная для применения в I-V ветровом районах, в I-VI и особом гололедных районах.

Таблица 2. Технические характеристики унифицированной опоры ПМ110-1

При механическом расчете проводов и тросов используется значение расчетного расстояния между двумя соседними опорами, так называемый расчетный пролет ?р При расстановке опор на идеально ровной поверхности ?р = ?габ. Усредненное значение пролета вследствие неровности местности меньше габаритного, поэтому длина расчетного пролета ?р, м,

где ?габ — длина габаритного пролета, м.

α — коэффициент, значение которого принимается равным α = 0,8÷0,9 в соответствии с местностью.

Тогда с учетом габаритного пролета можно принимать:

При выборе типа опоры необходимо наметить расположение проводов на опоре. Конструкция одноцепной многогранной металлической унифицированной опоры ПМ110-1 показана на рисунке 2, основные размеры опоры приведены соответственно в таблице 3.

Таблица 3. Основные размеры унифицированной опоры ПМ110-1

Рис. 2. Одноцепная многогранная металлическая промежуточная опора

1.3. Характеристики и конструкция троса

В качестве грозозащитного троса на ВЛ напряжением 110 кВ используются многопроволочные стальные канаты марки ТК-50. Цифрами в маркировке обозначается номинальное сечение троса. Физико-механические характеристики троса приведены в таблице 4.

Таблица 4. Физико-механические характеристики троса ТК-50

Трос марки ТК-50 представляет собой многопроволочный провод из стальных оцинкованных проволок, выполненный путем скручивания проволок. На рисунке 3 приведена конструкция стального троса ТК-50.

Рис. 3. Констукция грозотроса ТК-50

Согласно ПУЭ, воздушные линии напряжением 110 кВ и выше на металлических и железобетонных опорах должны быть защищены по всей длине грозозащитными тросами. Линии с расположением проводов согласно рисунку 5, защищаются одним тросом (рисунок 5). При одном грозозащитном тросе защитный угол α должен быть не боле 30°.

Рис. 5. Расположение грозозащитного троса на опоре

2. Расчет удельных нагрузок на провода и тросы

2.1. Ветровые и гололедные нагрузки

Для определения толщины стенки гололеда и скоростного напора ветра используется понятие высоты расположения приведенного центра тяжести проводов или троса h_пр, м,

где h_cр — средняя высота подвеса проводов или троса на опоре, м; [ƒ] — максимально допустимая стрела провеса провода или троса, м.

Значение средней высоты подвеса h_cр для проводов определяется по формуле:

где h_i — расстояние от земли до i-ой траверсы опоры, м; m — количество проводов на опоре; λ — длина гирлянды изоляторов, предварительно принимаемая равной 1,3 м для ВЛ 110 кВ.

Значение средней высоты подвеса ℎ_ср^т для троса определяется высотой подвеса троса над землей,

Допустимая стрела провеса провода, м,

uде ℎ2 — расстояние от земли до нижней траверсы, м; Г — наименьшее расстояние по вертикали от проводов до поверхности земли, м.

Допустимая стрела провеса троса, м:

где ℎ_ср^т — высота подвеса троса на опоре, м; ℎ3 — расстояние между нижней и верхней траверсами опоры, м; z — наименьшее допустимое расстояние по вертикали между проводом и тросом в середине пролета, м.

После определения высоты расположения приведенного центра тяжести проводов и троса оцениваются максимально возможные толщины стенки гололеда ????, мм, и максимальное ветровое давление ????.

где ?₀ — нормативное ветровое давление, принимаемое согласно ПУЭ, Па;

?? — поправочный коэффициент, который вводится на величину ветрового давления в зависимости от типа местности; ?0 — нормативная толщина стенки гололеда, принимаемая согласно ПУЭ, мм; ?Г1, ?Г2 — поправочные коэффициенты на высоту и на диаметр провода (троса);

Температура окружающей среды сказывается на работе ВЛ путем прямого влияния на степень натяжения и провисания проводов и тросов. При расчетах проводов и тросов на механическую прочность принимаются во внимание следующие значения температуры:

1. высшая температура — ?_??? = 30℃, при которой провод может иметь максимальное удлинение и, следовательно, максимальную стрелу провеса;
2. низшая температура — ?_??? = −25℃, при которой провод имеет наименьшую длину, а температурные напряжения могут достигать наибольших значений;
3. среднегодовая температура ?_ср = 0℃, при которой провод работает наиболее длительное время;
4. температура гололеда — ?_гол = −5℃, при наибольшей скорости ветра и при гололеде;
5. температура грозы — ?_гр = 15℃, при которой определяется надежность защитным тросом всех элементов ВЛ в условиях грозового режима.

2.2. Удельные нагрузки на провода и тросы

Провода и тросы ВЛ испытывают действие нагрузок — вертикальных (вес провода и гололеда) и горизонтальных (давление ветра). В результате этих нагрузок в металле проводов возникают растягивающие напряжения. При расчетах на механическую прочность пользуются удельными нагрузками на провода и тросы.

Под удельной нагрузкой понимают равномерно распределенную вдоль провода механическую нагрузку, отнесенную к единице длины и поперечного сечения. Удельные нагрузки выражаются в Ньютонах, отнесенных к 1 м длины провода и к 1 мм² сечения: Н/ (м×мм²).

1. Удельная нагрузка от собственного веса (тяжение) провода (троса) — γ₁ действует от центра провода по нормали вниз, как это показано на рис. 6 и вычисляется по формуле:

где ?_п — вес одного метра провода, Н; F-фактическое сечение провода, мм².

Рис. 6. Тяжение провода от собственного веса

2. Удельные нагрузки от веса гололёда γ₂ (рис. 7) определяются из условия, что отложения гололёда на проводе (тросе) имеют цилиндрическую форму:

Рис. 7. Тяжение провода от веса гололёда

При этих условиях удельные нагрузки от веса гололёда определяются по формуле:

где F — фактическое сечение провода, мм2; d — диаметр провода (троса) мм; g_{0 —} удельный вес льда, g₀ = 0,9·10^-3 Н/м·мм2; ?? — коэффициент надежности по ответственности, для ВЛ до 220 кВ принимаемый равный 1; ?р — региональный коэффициент, диапазон изменения от 1,0 до 1,5, но обычно на практике допускается принимать равным 1,0; ?? — коэффициент надежности по гололедной нагрузке, равный 1,3 для районов по гололеду 1 и 2; ?? — коэффициент условий работы, равный 0,5.

3. Удельные нагрузки от собственного веса провода (троса) и голо- лёда — γ3 (рис. 8):

Рис. 8. Результирующее тяжение провода от веса провода (троса) и гололёда

Эта суммарная нагрузка на провод учитывает собственный вес провода и вес гололёдного образования на проводе:

4. Удельная нагрузка от давления ветра, действующего перпендикулярно проводу, при условии отсутствия гололёда — γ₄ (рис. 9). В этом случае для вычисления удельной нагрузки применима формула:

где ???? — ветровое давление, Па; ?_? — коэффициент, учитывающий влияние длины про лета на ветровую нагрузку, для ?р = 252 м принимается равным 1,0; ?н — коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного напора ветра по пролету, ?н = 0,91; ?н^? = 0,835; ?? — коэффициент лобового сопротивления, равный 1,2 — для всех проводов, покрытых гололедом, и для проводов диаметром меньше 20 мм, свободных от гололеда.

Рис. 9. Тяжение на провод от давления ветра без гололёда

5. Удельная нагрузка от давления ветра, действующего перпендикулярно проводу, при условии наличии гололёда — γ₅ (рис. 10) определяется по формуле:

где 

Рис. 10. Тяжение на провод от давления ветра при гололёде

В этом случае при определении значения γ5 коэффициент ?н берется для скоростного напора ветра ?^′.

6. Удельная нагрузка от давления ветра и веса провода (троса) без гололеда — γ₆ (рис. 11) определяется как среднегеометрическое значение от собственного веса провода и тяжения, создаваемого ветровым напором:

Рис. 11. Тяжение на провод от давления ветра и собственного веса провода

7. Удельная нагрузка от давления ветра, действующего перпендикулярно проводу, при условии наличии гололёда — γ₅ и веса провода (троса), покрытого гололёдом – γ₃ (рис. 12) определяется как среднегеометрическое значение указанных факторов:

Рис. 12. Суммарное тяжение провода