Механический расчет линии электропередачи (расчет на единичные и удельные нагрузки, критические пролеты, провода, гирлянды , опора)

Введение
Механическая прочность воздушных линий (ВЛ) — это способность проводов, грозозащитных тросов и опор выдерживать механические нагрузки, возникающие из-за собственного веса, ветра, гололедных образований, изменения температуры и других факторов. Механическая прочность ВЛ в значительной мере влияет на надежность работы электрической сети. Это относится к прочности как проводов, так и опор.
Номинальное напряжение ВЛ и экономически целесообразные сечения проводов различных участков ВЛ определяются в проекте электрической части линии. При проектировании конструктивной части ВЛ, сооружаемых на унифицированных и типовых опорах, выбираются конкретные конструкции опор всех необходимых типов, осуществляется их расстановка по трассе и проверка на прочность в расчетных режимах. Кроме того, при проектировании конструктивной части ВЛ рассчитываются по условиям механической прочности провода и грозозащитные тросы. Этот расчет включает определение: 1) механических нагрузок и сил, действующих на провода и тросы; 2) механических напряжений проводов и тросов в различных их точках и при различных условиях работы; 3) наибольших стрел провеса проводов и тросов. Результаты этих расчетов необходимы для проверки допустимости механических напряжений проводов и тросов, а также их стрел провеса. Кроме того, результаты расчетов проводов и тросов на механическую прочность необходимы для выбора, расстановки и расчета опор ВЛ, а также для по¬строения монтажных зависимостей стрел провеса от длины пролета (т. е. от расстояния между опорами) и климатических условий.

Рисунок 1 - Воздушная одноцепная линия:
а — схема пролета ВЛ; б — размеры промежуточной опоры
На рис. 1а, приведена схема пролета воздушной линии, где hг — габарит линии, т. е. наименьшее допустимое по условиям безопасности расстояние между поверхностью земли и самой низкой точкой провода; f — стрела провеса провода в пролете; l — длина пролета, расстояние между опорами; h — высота подвеса провода, т. е. расстояние от земли до нижней точки подвесной гирлянды изоляторов.
На рис. 1б изображена промежуточная опора одноцепной воздушной линии. Наибольшая допустимая стрела провеса fнб определяется заданной для каждого типа опор высотой этой опоры Н, высотой тросостойки hт, расстояни¬ем по вертикали между проводами hn, длиной подвесной гирлянды изоляторов λ, а также hr:
Исходные данные для расчета

Напряжение ВЛ,кВ Число цепей Материал опор Сечение проводов ,типа АС Климатический район Температура воздуха, С0 Номер по порядку
По ветру По гололеду Максимальная
« +» Минимальная
« - » Среднегодовая «+»
110 1 железобетонная 150/24 III III 2(n_ф+n_и+n_0 ) 2(n_ф+n_и )+n_0/2 n_и/3 11

1. Механический расчет провода
1.1 Конструктивные и физико-механические данные провода
Определим районы климатических условий (РКУ) для заданного района строительства ЛЭП и соответствующие им скоростной напор ветра и толщина стенки гололеда. При определении нормативных нагрузок следует принимать наиболее неблагоприятные сочетания климатических условий, наблюдаемые один раз в 5 лет для линии напряжением 3 кВ и ниже, один раз в 10 лет для линии 6-330 кВ, один раз в 15 лет для линий 500 кВ и выше.
Скорость ветра возрастает с увеличением высоты, что учитывается поправочными коэффициентами.
При высоте более 15 м скоростной напор определяется путем умножения значения напора, указанного в таблице 1 для высоты до 15 м на поправочный коэффициент по таблице 2, учитывающий возрастание скорости ветра по высоте.

Таблица 1– Нормативные скоростные напоры q, даН/м2 и приближенные скорости ветра U, м/с, для высоты до 15 м над поверхностью земли.
Ветровой район РФ Повторяемость
1 раз в 10 лет
q U
I 40 25
II 50 29
III 65 32
IV 80 36
V 100 40
VI 125 45
VII 150 49
Особый >150 >49

Таблица 2 – Поправочные коэффициенты на возрастание скоростных напоров ветра по высоте
Высота, м Коэффициент Высота, м Коэффициент
До 15 1,0 100 2,1
20 1,25 200 2,6
40 1,55 350 и 3,1
60 1,75 выше



Таблица 3 – Нормативная толщина стенки гололеда, мм для высоты 10 м над поверхностью земли при повторяемости 1 раз в 10 лет
Район по гололеду РФ Нормативная толщина стенки гололеда, мм
I 10
II 15
III 20
IV 25
V 30
VI 35
VII 40
Особый >49

1.2 Определение единичных и удельных нагрузок
Равномерно распределенная нагрузка по длине пролета на 1 метр длины провода называется единичной нагрузкой и выражается в деканьютонах на один метр (даН/м).
Определим единичные и удельные нагрузки на провод АС 150/24. Линия напряжением 110 кВ проходит в III районе гололедности и III ветровом районе. Выбираем опору ПБ-110-5. Длины пролетов:
- габаритный - 250 м,
- ветровой - 280 м,
- весовой - 310 м.
Выписываем исходные данные для провода АС 150/24: сечение алюминия 148,86 мм2; сечение стали 24,4 мм2; общее сечение провода 173,10 мм2; диаметр провода 17,1 мм; масса провода 599 кг/км.
По заданным районам климатических условий и напряжению ЛЭП определяем нормативный скоростной напор ветра (таблица 1) и нормативную толщину стенки гололеда (таблица 3)
q=65 даН/м2; с=20 мм.
Определяем величины единичных и удельных нагрузок:
а) Нагрузка от собственного веса:
Р1=599∙10-3=0,599 даН/м
γ_1= P_1/F= 0,599/173,10=3,46∙〖10〗^(-3) даН/м∙мм2
б) Единичная нагрузка от веса гололеда:
P2 = 0,9 ∙ ???? ∙ ???? ∙ (???? + с) ∙ 10−3 = 0,9 ∙ 3,14 ∙ 20 ∙ (17,1 + 20) ∙ 10−3 =
2,097 даH/м,
где 0,9∙ 10−3 – объемный вес гололеда, даН/м∙мм2;
С – толщина стенки гололеда, равная 20 мм;
d – диаметр провода, равный 17,1 мм.
Удельная нагрузка γ2 от веса гололеда не может быть использована в расчетах проводов и поэтому не вычисляется.
в) Нагрузка от собственного веса провода с гололедом
P3 = P1 + P2 = 0,599 + 2,097= 2,696 даH/м ;
γ_3= P_3/F= 2,696/173,10=15,57∙〖10〗^(-3) даН/м∙мм
г) Единичная нагрузка от ветра на провод без гололеда
P4 = ???? ∙ ????x ∙ ???? ∙ ???? ∙ ???? ∙ 10−3 = 0,75 ∙ 1,2 ∙ 65 ∙ 1 ∙ 17,1 ∙ 10−3 = 1,00 даH/м.,
где α – коэффициент неравномерности ветрового давления по длине ВЛ, при q = 65 даН/м2 принимается α=0,75;
Сх – коэффициент лобового сопротивления, равен 1,2 т.к. d = 17,1<20 мм;
К – коэффициент, учитывающий влияние длины пролета на ветровую нагрузку, при lгаб = 250 м (более или равно 250 м) принимаем равным 1. Величина γ4 в расчетах не используется.
д) Единичная нагрузка от ветра на провод с гололедом
P5 = ???? ∙ ????x ∙ 0,25 ∙ ???? ∙ ???? ∙ (???? + 2 ∙ C) ∙ 10−3= 1 ∙ 1,2 ∙ 0,25 ∙ 65 ∙ 1 ∙ (17,1 + 2 ∙ 20) ∙ 10−3 = 1,114 даH/м,
где α – коэффициент неравномерности ветрового давления по длине ВЛ, при 0,25q =0,25*65=15 даН/м2 принимается α=1;
К=1, т.к. длина пролета равна 270 м;
Сx принимаем равным 1,2, т.к. провод покрыт гололедом; Величина γ5 в расчетах не используется.
е) Нагрузка от ветра и собственного веса без гололеда