Проектирование воздушной линии

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)

 

 

 

4. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОВОДА
1. 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):

1. высшая температура (tmax), ветер и гололед отсутствуют, удельная нагрузка от собственного веса провода (троса) – γ1 (режим высшей температуры);
2. температура минус 5°С, ветер отсутствует, провода (тросы) покрыты гололедом, удельная нагрузка – γ3 (режим гололеда без ветра);
3. низшая температура (tmin), ветер и гололед отсутствуют, удельная нагрузка от собственного веса провода (троса) - γ1 (режим низшей температуры);
4. среднегодовая температура (tср), ветер и гололед отсутствуют, удельная нагрузка от собственного веса провода (троса) - γ1 (режим среднегодовой температуры);
5. температура минус 5°С, максимальное ветровое давление, гололед отсутствует, удельная нагрузка – γ6 (ветровой режим);
6. 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.

2. 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).

3. 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.

5. 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.

 

5. ВЫБОР ИЗОЛЯТОРОВ И ЛИНЕЙНОЙ АРМАТУРЫ
1. 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.