Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проектирование воздушной линии

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование воздушной линии (ВЛ) электропередачи ведется на основании разработанной схемы развития энергосистемы и включает в себя широкий круг вопросов, касающихся как механической, так и электрической частей ВЛ.

В данном курсовом проекте рассматривается ВЛ напряжением 35 кВ, выполненная на одноцепных металлически-решетчетых опорах. При строительстве ВЛ используются провода марки АС-150/24 и грозозащитный трос марки ТК-50, материал изоляторов – фарфор.

ВЛ проходит в населенной местности со следующими климатическими условиями:

район по ветру – I,
район по гололеду – III,
максимальная температура – °C,
минимальная температура – °C,
среднегодовая температура – °C,
степень загрязнения – 4
тип местности по условиям воздействия ветра на ВЛ – С.

Основные требования, предъявляемые к ВЛ, определяются Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Проектирование и сооружение опор и фундаментов ВЛ как строительных конструкций производится на основании Строительных норм и правил (СНиП).

Проектирование механической части ВЛ ставит своей главной задачей обеспечение высокой надежности работы ВЛ в соответственных природных условиях.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОВОДА И ТРОСА

Характеристики и конструкция провода

В данном курсовом проекте рассматривается ВЛ напряжением 35 кВ. для этой воздушной линии используется мнопроволочный сталеалюминевый провод марки АС-150/24. Буквами в марке провода обозначается материал жилы, т.е. А – алюминий, С – сталь. Цифрами обозначается номинальное сечение провода. Провод марки АС-150/24 состоит из 26 алюминиевых проволок диаметром 2,7 мм. Вокруг центральной проволоки выполнено 2 повива.

Алюминий и сталь имеют различные механические характеристики, однако формально провод считается выполненным из одного металла (Рис. 1).

Рисунок 1 – Конструкция провода АС-150/24

На рисунке 1 приведена конструкция сталеалюминевого провода с номинальным сечением 150 мм2:

1 – стальная часть (однопроволочный стальной сердечник);

2 – алюминиевая часть (два повива алюминиевой проволоки).

Физико-механические характеристики провода АС150/24 приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Физико-механические характеристики провода АС-120/19

Сечение, мм2: алюминиевой части стальной части суммарное F	149 24,2 173,2
Диаметр провода d, мм	17,1
Количество и диаметр проволок, шт×мм: алюминиевых стальных	26×2,7 7×2,1
Количество повивов, шт. алюминиевой части стальной части	2 1
Вес провода Gп, даН/км	600
Модуль упругости Е, даН/мм2	8,25·103
Температурный коэффициент линейного удлинения α, град-1	19,2·10-6
Предел прочности, даН/мм2	29
Удельная нагрузка от собственного веса γ1, даН/(м×мм2)	3,46·10-3
Допустимое напряжение, даН/мм2 при среднегодовой температуре σt.ср при низшей температуре σt min при наибольшей нагрузке σγ max	8,7 13,0 13,0

Практический расчет сталеалюминевых проводов ведется с использованием приведенных к проводу в целом: величины модуля Е, температурного коэффициента линейного удлинения α, допустимого напряжения [σ].

При изготовлении провода, в целях увеличения его прочности. Повив делается в противоположную сторону по отношению к предыдущему.

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-каната.

Грозозащитный трос состоит их 19 проволок диаметром 1,8 мм. Вокруг центральной проволоки выполнено 2 повива в противоположную сторону, чтобы избежать раскручивания проволок (Рис. 2).

Рисунок 2 – Конструкция грозозащитного троса ТК-50

Физико-механические характеристики грозозащитного троса ТК-50 приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические характеристики троса ТК-50

Характеристика	Трос ТК-50
Сечение, мм2: номинальное фактическое	50 48,6
Диаметр троса, мм	9,1
Количество и диаметр проволок, шт·мм:	19х1,8
Вес троса, км/кг	418
Модуль упругости, х 104 Н/мм2	18,5
Количество повивов, шт.	2
Температурный коэффициент линейного удлинения, х 10-6 град-1	12
Предел прочности при растяжении, Н/мм2	1200
Удельная нагрузка от собственного веса, х 10-3 Н/м·мм2	80
Допустимое напряжение, Н/мм2: при средней температуре при низшей температуре при наибольшей нагрузке	420 600 600

ВЫБОР УНИФИЦИРОВАННОЙ ОПОРЫ

В настоящее время при строительстве ВЛ используются, как правило, унифицированные опоры. Унификация означает объединение опор в единую систему конструкций, сокращение их типоразмеров и устанавливает для каждой опоры область применения.

В курсовом проекте для строительства воздушной линии используются опоры ПМ 35-1 – промежуточные одноцепные металлические многогранные опоры на напряжение 35 кВ, предназначенные для применения в I ÷ IV ветровом районах, в I ÷ IV и особо гололедных районах.

Конструкция металлической унифицированной опоры ПМ 35-1 показана на рисунке 3, основные размеры и технические характеристики опоры приведены соответственно в таблицах 3 и 4.

Рисунок 3 – Промежуточная унифицированная опора П 35-1

Таблица 3 – Основные размеры и область применения опоры П 35-1

Шифр опоры

Размеры по рисунку 3, м

Марка

провода

Район по гололеду

П 35-1

21,0

3,0

14,0

4,0

2,0

3,3

2,0

1,8

АС-150/24

Таблица 4 – Технические характеристики опоры ПМ 110-2

Характеристика	Величина
Марка провода	АС-150/24
Район по гололеду	III
Район по ветру	I
Габаритный пролет, м	210
Ветровой пролет, м	330
Весовой пролет, м	260
Масса, т	1,53
Длина поддерживающей гирлянды изоляторов, м	3,3

Габаритный пролет – это пролет, определяемый по условию допустимого расстояния (габарит) от проводов до земли при установке опор на идеально ровной местности. Этот пролет определяется напряжением ВЛ, высотой подвеса на опоре нижнего провода и максимальной стрелой его подвеса.

Расчетная длина пролета может быть принята равной габаритному пролету. Однако опыт проектирования показывает, что после расстановки опор по трассе с соблюдением требуемого габарита средний пролет оказывается меньше габаритного. Это отличие обусловлено неровностью трассы ВЛ. Поэтому расчетную длину пролета следует принять равной:

(2.1)

где – габаритный пролет,

- коэффициент, значение которого принимается равным в соответствии с местностью, для которой проектируется участок ВЛ.

(2.2)

РАСЧЕТ УДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК НА ПРОВОДА И ТРОС

Определение толщины стенки гололеда и величины ветрового давления

Определяемые величины зависят от климатического района, для которого проектируется ВЛ и высоты расположения проводов и троса от поверхности земли. Провода на опоре подвешиваются, как правило, на разной высоте и от проводов и троса до земли меняется по дине пролета. Поэтому в расчетах используется понятие высоты расположения приведенного центра тяжести проводов или троса. Эта величина для проводов и троса определяется по формуле:

(3.1)

где - средняя высота подвеса провода (или троса), м;

- допустимая стрела провеса провода (или троса), м.

Значение для проводов определяется по формуле:

(3.2)

где – расстояние от земли до i-ой траверсы опоры, м;

m – количество проводов на опоре;

λ – длина гирлянды изоляторов, принимаемая предварительно для ВЛ 35 кВ – 0,6 м.

Значение для троса определяется высотой подвеса троса над землей:

(3.3)

где – расстояния из таблицы 3;

- расстояние между нижней и верхней траверсами опоры, равное

Допустимая стрела провеса провода, м, определяется по формуле:

(3.4)

где – расстояния от земли до нижней траверсы;

– длина гирлянды изоляторов;

Г – наименьшее расстояние по вертикали от проводов до поверхности земли; Г=7 м для ненаселенной местности при номинальном напряжении ВЛ 35 кВ.

Допустимая стрела провеса троса, м, определяется по формуле:

(3.5)

где z – наименьшее допустимое расстояние по вертикали между проводом и тросом в середине пролета, м. Расстояние z определяется по ПУЭ в зависимости от расчетной длины пролета. z=3,8 м.;

– количество цепей.

Подставляя полученные значения в формулу (3.1), можно получить значение высоты приведенного центра тяжести провода и троса:

В дальнейшем расчетные величины будут даваться для провода без индекса, а для троса с индексом «Т».

После определения высоты расположения приведенного центра тяжести проводов и троса оцениваются максимально возможные толщины стенки гололеда и скорость напора ветра.

При определении ветровых нагрузок на провода и тросы ВЛ принято использовать не скорость ветра V, а ветровое давление W, которое определяется по формуле:

(3.6)

Максимальное значение ветрового давления определяется по формуле:

(3.7)

где W0 – нормативное ветровое давление на высоте 10 м от поверхности земли, соответственно для I района по ветру W0 = 400 Па.

Kw – коэффициент, зависящий от типа местности и высоты приведенного центра тяжести проводов и тросов над поверхностью земли. Для проводов, при и типе местности «А», Для троса, при и типе местности «А»,

Максимальное значение толщины стенки гололеда для проводов и троса при равно табличному значению нормативной толщины стенки гололеда С0. Для III района по гололеду С0 = 20 мм. Отсюда:

Расчет удельных нагрузок на провода и трос

Провода и тросы ВЛ испытывают действие нагрузок – вертикальные (вес провода и гололеда) и горизонтальные (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 провода (троса) приводится в таблицах 1 и 2, Н/(м·мм2):

2. Удельная нагрузка от гололеда определяется исходя из условий, что гололедные отложения имеют цилиндрическую форму плотностью , Н/(м·мм2):

(3.8)

где Сmax – толщина стенки гололеда, мм;

d – диаметр провода или троса, мм;

F – фактическое сечение провода или троса, мм2;

Кn – коэффициент надежности по ответственности, принимаемый равным: 1,0 – для ВЛ до 220 кВ;

Кp – региональный коэффициент, принимаемый равным от 1,0 до 1,5 на основании опыта эксплуатации (допускается принимать Кp = 1,0);

Кf – коэффициент надежности по гололедной нагрузке, равный: 1,3 – для районов по гололеду 1 и 2;

Кd – коэффициент условий работы, равный 0,5.

3. Удельная нагрузка от собственного веса провода (троса) и веса гололеда, Н/(м·мм2):

(3.9)

4. Удельная нагрузка от давления ветра, действующего перпендикулярно проводу, при отсутствии гололеда, Н/(м·мм2):

(3.10)

где kl – коэффициент, учитывающий влияние длины пролета на ветровую нагрузку, для lp = 168 м, kl = 1,03 (определении методом линейной интерполяции);

kH – коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного напора ветра по пролету, для Wmax =400 Па, kH = 0,76;

Сх – коэффициент лобового сопротивления, равный 1,2 – для всех проводов, покрытых гололедом;

Kp – региональный коэффициент, принимаемый равным от 1,0 до 1,3 исходя их опыта эксплуатации;

Kf – коэффициент надежности во ветровой нагрузке, равный 1,1.

5. Удельная нагрузка от давления ветра, действующего перпендикулярно проводу, при наличии гололеда, Н/(м·мм2):

(3.11)

где Для ВЛ до 220 кВ ветровое давление при гололеде должно приниматься не менее 200 Па.

6. Удельная нагрузка от давления ветра и веса провода троса) без гололеда, Н/(м·мм2):

(3.12)

7. Удельная нагрузка от давления ветра и веса провода (или троса), покрытого гололедом.

(3.13)

МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОВОДА

Расчетные климатические условия

При расчетах проводов и тросов ВЛ на механическую прочность необходимо определять напряжения в проводах (тросах) и стрелы провесов при всех возможных эксплуатационных сочетаниях климатических условий. Поскольку таких сочетаний может быть большое количество. То ПУЭ устанавливают следующие расчетные сочетания климатических условий (режимов):

высшая температура (tmax), ветер и гололед отсутствуют, удельная нагрузка от собственного веса провода (троса) – γ1 (режим высшей температуры);
температура минус 5°С, ветер отсутствует, провода (тросы) покрыты гололедом, удельная нагрузка – γ3 (режим гололеда без ветра);
низшая температура (tmin), ветер и гололед отсутствуют, удельная нагрузка от собственного веса провода (троса) - γ1 (режим низшей температуры);
среднегодовая температура (tср), ветер и гололед отсутствуют, удельная нагрузка от собственного веса провода (троса) - γ1 (режим среднегодовой температуры);
температура минус 5°С, максимальное ветровое давление, гололед отсутствует, удельная нагрузка – γ6 (ветровой режим);
температура минус 5°С, провода и тросы покрыты гололедом, ветровое давление W’=0,25·Wmax, удельная нагрузка – γ7 (грозовой режим);

В районах со среднегодовой температурой ниже минус 5°С и ниже температуры для режимов 2, 5 и 6 следует принимать минус 10°С. Режимы 1 и 2 определяют наибольшую вертикальную стрелу провеса, которая может быть при высшей температуре или при гололеде без ветра. В режимах 3, 4, 5 и 6 выполняется проверка проводов и тросов по допустимому напряжению в условиях низшей и среднегодовой температуры и в условиях наибольшей внешней нагрузки γmax. При γ7 ≥ γ6 наибольшая внешняя нагрузка будет обусловлена гололедом (режим 6), при γ6 ≥ γ7 ветровом (режим 5). Режим 7 необходим для проверки условий защиты элементов ВЛ тросом во время грозы.

Определение исходного режима

Важным моментом механического расчета проводов является определение наиболее тяжелого режима, то есть такого режима, при котором напряжение в проводе в пролете длиной l достигает допустимого значения, а в остальных режимах – напряжения в проводе меньше допустимых. Этот наиболее тяжелый режим называется исходным режимом.

Выбор исходного режима определяется соотношением длины расчетного пролета lp и пролетов lк1, lк2 и lк3, называемых соответственно первым, вторым и третьим критическим пролетами.

Первый критический пролет - это пролет такой длины, при котором напряжение в проводе в режиме среднегодовой температуры равно допустимому при среднегодовой температуре, а в режиме низшей температуры равно допустимому напряжению при низшей температуре. Первый критический пролет определяется по формуле, м:

(4.1)

где Е – модуль упругости из таблицы 1, х104 Н/мм2;

α – температурный коэффициент линейного удлинения из таблицы 1, х10-6 град-1;

tcp и tmin – среднегодовая и минимальная температуры соответственно, °С;

σtcp и σtmin – допустимые напряжения при средней и низшей температурах соответственно, Н/мм2.

Второй критический пролет – это пролет такой длины, при которой напряжение в проводе при наибольшей нагрузке равно допустимому напряжению при наибольшей нагрузке, а в режиме низшей температуры равно допустимому напряжению при низшей температуре, м:

(4.2)

где tгол – температура гололеда, равная -10°С при tcp ≤ -5°C;

σymax – допустимое напряжение при наибольшей нагрузке, Н/мм2;

γmax – максимальная удельная нагрузка равная γ7, Н/(м·мм2).

Третий критический пролет – это пролет такой длины, при которой напряжение в проводе в режиме среднегодовой температуры равно допустимому при среднегодовой температуре, а в режиме наибольшей нагрузки равно допустимому напряжению при наибольшей нагрузке, м:

(4.3)

В результате получаем следующие соотношения критических пролетов и расчетного пролета: lк1 – мнимый и lр ≥ lк3. Таким образом исходным режимом является режим с параметрами: σ=[σymax]=135 Н/мм2, t=tгол = -10°С, γ=γmax=106·10-3 Н/(м·мм2).

Расчет напряжения в проводе

Расчет напряжения в проводе ведется по уравнению состояния провода:

(4.4)

где σp, γp, tp – напряжение в материале провода, удельная нагрузка и температура в рассчитываемом режиме;

σu, γu, tu – напряжение в материале провода, удельная нагрузка и температура в исходном режиме;

E, α – модуль упругости и температурный коэффициент линейного удлинения провода;

lp – расчетная длина провода.

Относительно неизвестной величины σp уравнение состояния является неполным кубическим уравнением вида:

(4.5)

где B и D – числовые коэффициенты, полученные в результате подстановки в уравнение состояния всех известных параметров.

В это уравнение подставляются параметры исходного режима - режима наибольшей нагрузки и значения температуры и нагрузки, отвечающие каждому из режимов, указанных в п. 4.1. В результате определяются напряжения в проводе для этих режимов.

Расчет напряжения в проводе для режима низшей температуры выполнен «вручную».

Данное уравнение приводится к виду, соответствующему выражению (4.5):

Решение полученного уравнения выполняется итерационным методом касательных.

Поправка определяется по формуле:

(4.6)

где i – номер итерации. На первой итерации σi принимается равным σ0.

В качестве нулевого приближения принять значение σ0=100 Н/мм2.

Поправка на первой итерации составит:

Новое значение напряжения определяется по формуле:

(4.7)

Выполняется проверка окончания итерационного процесса по условию:

(4.8)

где ε – заранее заданная точность расчета, которую принимаем равной 0,1 Н/мм2.Если условие выполняется, то расчет прекращается, значение σi принимается за искомое: σр= σi.

Следовательно, расчет необходимо продолжить, приняв в качестве нового приближения σ=.

Поправка на второй итерации:

Новое напряжение:

Выполняется проверка точности:

Поправка на третьей итерации:

Выполняется проверка точности:

Следовательно, за искомое значение принимаем σ2:

Н/мм2

Остальные режимы рассчитываются на ПЭВМ и результаты вычислений занесены в таблицу 5.

Выполняется проверка механической прочности проводов по условиям:

(4.9)

Условия выполняются – значит, механическая прочность проводов будет достаточной для условий проектируемой линии.

Таблица 5.

Режим	t, °С	γ, х10-3 Н/(м·мм2)	σ, Н/мм2	[σ], Н/мм2
Низшей температуры	-20	3,46	110,53	135
Средней температуры	5	3,46	84,59	90
Наибольшей нагрузки	-10	106	135	135
Высшей температуры	40	3,46	61,96	-
Гололеда без ветра	-10	100,37	114,79	-
Грозовой	15	3,46	65,84	-

4.4 Определение стрел провеса

Стрелы провеса проводов в режимах: гололеда без ветра, высшей температуры и грозовом режиме определяются по формуле:

(4.10)

где γi и σi – удельная нагрузка и напряжение в проводе в соответствующем режиме.

Проверяем соблюдение требуемых расстояний от низшей точки провисания провода до земли по условиям:

(4.11)

где [f] – допустимая стрела провеса провода, определяемая по формуле (3.4).

Условие выполняется – значит, расстояние от провода до земли будет не менее допустимого.

Расчет грозозащитного троса на механическую прочность

Для расчета грозозащитного троса используются методы и приемы расчета проводов. Кроме того, расположение троса на опоре должно быть таким, чтобы гарантировать защиту проводов от ударов молнии. Во избежание перекрытия изоляции между тросом и проводом во время удара молнии должны соблюдаться соответствующие расстояния между тросом и проводами в середине пролета. Напряжение в тросе при наибольшей нагрузке, низшей и среднегодовой температурах не должны превышать соответствующих допустимых напряжений.

Допустимые расстояния должны соблюдаться для условий грозового режима, когда на провода и тросы воздействуют нагрузки от собственного веса, ветер отсутствует и температура воздуха равна плюс 15°С. Поэтому указанный режим принимается в качестве исходного для механического расчета троса.

Стрела провеса троса в грозовом режиме определяется по формуле, м:

(4.12)

где fгр – стреле провеса провода в середине пролета в грозовом режиме, м;

h1 – расстояние по вертикали между верхней траверсой и точкой крепления троса, м;

λ - длина гирлянды изоляторов, м;

z – допустимое расстояние между тросом и проводом в середине пролета, м.

Напряжение в тросе в грозовом режиме по найденной стреле провеса троса, Н/мм2:

(4.13)

В качестве исходного режима принимается грозовой режим с параметрами: =61,92 Н/мм2, =8,610-3 Н/(м·мм2), t=+15°C.

Расчет напряжения в тросе в режимах максимальной нагрузки , низшей и средней температурах выполнен аналогично пункту (4.3) итерационным методом касательных. Результаты вычислений занесены в таблицу 6.

Таблица 6.

Режим	t, °С	γ, х10-3 Н/(м·мм2)	σ, Н/мм2	[σ], Н/мм2
Низшей температуры	-25	80	108,24	600
Средней температуры	-5	80	90,87	420
Наибольшей нагрузки	-10	224,74	185,00	600

Механическая прочность троса проверяется по условиям:

(4.14)

Условия выполняются, следовательно, выбранный трос пригоден для условий проектируемой линии в нормальных режимах работы.

ВЫБОР ИЗОЛЯТОРОВ И ЛИНЕЙНОЙ АРМАТУРЫ

Выбор изоляторов для проводов

На промежуточных опорах ВЛ 110 кВ применяются поддерживающие гирлянды подвесных изоляторов, прикрепленные к траверсам опор с помощью линейной арматуры. Гирлянда комплектуется из отдельных изоляторов. Каждый изолятор имеет в верхней части гнездо для пестика, а в нижней части - стержень с пестиком. Сцепление изоляторов друг с другом осуществляется фиксацией пестика одного изолятора в гнезде другого.