Проектирование механической части воздушных линий
электропередачи является важной частью проектирования электроснабжения. От правильного
выбора элементов ЛЭП зависит долговременная и безопасная эксплуатация линий, и,
соответственно, надежное и качественное электроснабжение потребителей.
В данном курсовом проекте рассмотрены основные этапы
проектирования механической части воздушных ЛЭП: выбор промежуточных опор,
механический расчет проводов и грозозащитного троса, выбор линейной арматуры,
произведены расстановка опор по профилю трассы и расчет монтажных стрел
провеса.
Удельная нагрузка от собственного
веса γт1, даН/(м×мм2)
8·10-3
Допустимое напряжение, даН/мм2
при среднегодовой температуре σтt.ср
при низшей температуре σтt.min
при наибольшей нагрузке σтγ.max
42
60
60
3 Выбор унифицированной опоры
По исходным данным выбирается тип унифицированной
промежуточной опоры ПБ110-8. Основные размеры опоры показаны на рисунке 3.1,
технические характеристики опоры приведены в таблице 3.1.
Удельная нагрузка от собственного веса, даН/(м∙мм2),
берется из таблиц 2.1 и 2.2:
3,46·10-3;
8·10-3.
Удельная нагрузка от веса гололеда, даН/(м∙мм2),
, (4.8)
где d – диаметр провода или троса, мм;
F – фактическое сечение провода или троса, мм2;
g0=0,9·10-3 даН/(м∙мм2) – плотность гололедных
отложений;
=4·10-3;
=11,4·10-3.
Удельная нагрузка от веса гололеда и собственного веса
провода (троса), даН/(м∙мм2),
, (4.9)
·10-3=7,46·10-3;
·10-3=19,4·10-3.
Удельная нагрузка от давления ветра при отсутствии
гололеда, даН/(м∙мм2),
, (4.10)
где kl – коэффициент, учитывающий влияние длины пролета
на ветровую нагрузку;
kH – коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного
напора ветра по пролету;
СХ – коэффициент лобового сопротивления, равный 1,1 – для
проводов диаметром 20 мм и более, свободных от гололеда; 1,2 – для всех
проводов, покрытых гололедом, и для проводов диаметром меньше 20 мм, свободных
от гололеда;
=5,7·10-3;
=13,1·10-3.
Удельная нагрузка от давления ветра на провод и трос при
наличии гололеда, даН/(м∙мм2),
, (4.11)
где q′=0,25∙qmax для районов с толщиной
стенки гололеда до 15 мм;
=4,1·10-3;
=15,1·10-3.
Удельная нагрузка от давления ветра и веса провода
(троса) без гололеда, даН/(м∙мм2),
, (4.12)
·10-3=6,7·10-3;
·10-3=15,3·10-3.
Удельная нагрузка на провод от давления ветра и веса
провода, покрытого гололедом, даН/(м∙мм2),
α – температурный коэффициент линейного удлинения
материала провода, град-1;
lk1=.
Выражение под корнем меньше нуля. Первый критический
пролет – мнимый.
Второй критический пролет, м,
, (4.15)
где tгол – температура гололеда, равная -5ºС;
γmax=γ7;
=80,4.
Третий критический пролет, м,
, (4.16)
=144,2.
В результате получается следующее соотношение критических
пролетов и расчетного пролета: lк1 – мнимый, lр=202,5 м>lк3=144,2 м.
На основании полученных соотношений определяется исходный
режим. Это режим максимальной нагрузки с параметрами: σ=[σγ.max]=13,0
даН/мм2, γ=γmax=8,5·10-3 даН/(м·мм2), t=tгол=-5°С.
По уравнению состояния провода рассчитываются напряжения в
проводе для режимов среднегодовой температуры – σtср, режима низшей
температуры – σtmin и наибольшей нагрузки – σγmax.
Расчет напряжения в проводе для режима низшей
температуры. В уравнение состояния провода подставляются все известные
параметры.
, (4.17)
.
Полученное уравнение приводится к виду:
Решение полученного уравнения выполняется итерационным
методом касательных. В качестве нулевого приближения принимается значение σ0=10
даН/мм2.
Производная полученной функции y=:
y’=3·σ2tmin-2·7,766·σtmin
Определяется поправка на первой итерации:
Δ1=y(σ0)/y’(σ0),
=0,378.
Новое значение напряжения:
σ1=σ0-Δ1,
σ1=10-0,377=9,623.
Проверка итерационного процесса. Для этого задается
точность расчета ε=0,01 даН/мм2.
0,377>0,01,
следовательно расчет нужно продолжить, приняв в качестве
нового приближения σ=9,623.
Поправка на второй итерации:
=0,025.
Новое значение напряжения:
σ2=9,623-0,025=9,598.
Выполняется проверка:
0,025>0,01.
Поправка на третьей итерации:
=0,00013.
Проверка:
0,00013<0,01,
следовательно за искомое выражение σtmin принимаем σ3:
σtmin=9,598 даН/мм2.
Расчеты напряжений в проводе для режимов среднегодовой
температуры и наибольшей нагрузки выполняются с помощью программы «MERA2». В
результате получены следующие значения:
σtср=7,987 даН/мм2;
σγmax=12,517 даН/мм2.
Выполняется проверка условий механической прочности:
σtср≤[σtср], 7,987<8,7;
σtmin≤[σtmin], 9,598<13,0;
σγmax≤[σγmax], 12,517<13,0.
Условия выполняются, значит механическая прочность
проводов будет достаточной для условий проектируемой линии.
По уравнению состояния провода выполняются расчеты
напряжений для режимов гололеда без ветра –σгол, высшей температуры – σtmax,
грозового режима – σгр. Результаты расчетов следующие:
В качестве исходного принимается грозовой режим с
параметрами: σтгр, γт1, t=15°C. По уравнению состояния провода
определяются напряжения в тросе для режимов максимальной нагрузки, низшей и
среднегодовой температуры.
Расчет напряжения в тросе для режима среднегодовой
температуры. В уравнение состояния провода подставляются все известные
параметры.
.
Полученное уравнение приводится к виду:
.
В качестве нулевого приближения принимается значение σ0=16
даН/мм2.
Производная полученной функции
y=:
y’=3·σт2tср-2·6,979·σтtср
Определяется поправка на первой итерации:
Δ1=y(σ0)/y’(σ0),
=0,225.
Новое значение напряжения:
σ1=σ0-Δ1,
σ1=16-0,225=15,775.
Проверка итерационного процесса, ε=0,01 даН/мм2.
0,225>0,01,
следовательно расчет нужно продолжить, приняв в качестве
нового приближения σ=15,775
Поправка на второй итерации:
=0,003.
Проверка:
0,003<0,01,
следовательно за искомое выражение σтtср принимаем σ1:
σтtср=15,775 даН/мм2.
В результате расчетов остальных режимов получены
следующие значения:
σтγmax=31,476 даН/мм2;
σтtmin=17,606 даН/мм2.
Проверка условий механической прочности троса:
σтγmax=31,476 даН/мм2≤ [σтγmax]=60
даН/мм2;
σтtmin=17,606 даН/мм2≤ [σтtmin]=60
даН/мм2;
σтtср=15,775 даН/мм2≤ [σтtср]=42 даН/мм2.
Условия выполняются, значит выбранный провод пригоден для
условий проектируемой линии.
Тип изолятора выбирается по механической нагрузке с
учетом коэффициента запаса прочности, который представляет собой отношение
разрушающей электромеханической нагрузки к нормативной нагрузке на изолятор.
Согласно ПУЭ, коэффициенты запаса прочности в режиме наибольшей нагрузки должны
быть не менее 2,7, а в режиме среднегодовой температуры – не менее 5,0.
В нормальных режимах поддерживающая гирлянда изоляторов
воспринимает осевую нагрузку, состоящую из веса провода, гололеда и веса самой
гирлянды.
Нагрузка для изоляторов поддерживающих гирлянд, даН,
2,7·(Gг+Gи)≤ Gэм,
5,0·(Gп+Gи)≤Gэм, (5.1)
где Gг – нагрузка на изолятор от веса провода, покрытого
гололедом, даН,
Gг=γ7·F·lвес, (5.2)
где lвес=280 м – длина весового пролета;
F – общее фактическое сечение провода, мм2;
Gи – нагрузка на изолятор от веса гирлянды, даН,
предварительно Gи=50 даН;
Выбирается изолятор с такой разрушающей
электромеханической нагрузкой, чтобы выполнялись условия (5.1). Выбирается
изолятор ПФ70-В с разрушающей электромеханической нагрузкой 7500 даН:
1248<7500;
1089<7500,
т.е. условия выполняются.
Определяется число изоляторов в поддерживающей гирлянде,
n≥,
(5.4)
где λэф – нормированная удельная эффективная длина
пути утечки. Для степени загрязненности атмосферы I λэф=13 мм/кВ;
Uнаиб=1,15·Uном;
lэф – эффективная длина пути утечки, мм,
lэф=lут/k, (5.5)
где lут =355 мм для выбранного изолятора;
k – поправочный коэффициент,
k=, (5.6)
где D – диаметр тарелки изолятора, D=270 мм;
k==1,157;
lэф=355/1,157=306,8;
n≥=5,4.
Полученное значение округляется до шести и увеличивается
на один. В итоге число изоляторов в поддерживающей гирлянде равно семи.
При выборе изоляторов натяжных гирлянд в условия (5.1)
добавляется величина тяжения провода.
Нагрузка на изолятор натяжной гирлянды, даН,
, (5.7)
=5894,
=6949.
Выбирается изолятор ПФ70-В с разрушающей
электромеханической нагрузкой 7500 даН:
5894<7500;
6949<7500,
т.е. условия выполняются.
Число изоляторов в натяжной гирлянде принимается на один
больше, чем в поддерживающей, т.е. восемь штук. Выбор арматуры аналогичен
выбору изоляторов. Коэффициент запаса прочности для условий гололеда должен
быть не менее 2,5. Нагрузка на арматуру поддерживающей гирлянды, даН,
2,5·(Gг+Gи)≤ Gр, (5.8)
2,5·(8,5·10-3·173,2·280+50)=1156.
Выбирается узел крепления гирлянды к траверсе опоры
КГП-7-1, серьгу СР-7-16, ушко У1-7-16 с разрушающей минимальной нагрузкой 70
кН; глухой поддерживающий зажим ПГН-3-5 с минимальной разрушающей нагрузкой 25
кН.
Нагрузка на арматуру натяжной гирлянды, даН,
, (5.9)
=5457.
Для натяжной гирлянды выбирается та же арматура что и для
поддерживающей. Для натяжной гирлянды выбираем болтовой зажим.
Изолятор и линейная арматура изображены на рисунках
5.1-5.5.
Получили λгир.ф =1,339 больше, чем принятое в
расчетах λ=1,3.
Проверка соблюдения габарита.
Пересчитанная допустимая стрела провеса, м,
,
=6,161.
Проверка соблюдения требуемых расстояний от низшей точки
провисания провода до земли по условию:
f≤[f]=6,161,
ftmax=3,24<6,161.
Условие соблюдается, т.е. такая длина гирлянды допустима.
Защита от вибрации осуществляется с помощью гасителей
вибрации, представляющих собой два груза, закрепленных на стальном тросике
(рисунок 5.6).
Рисунок 5.6 – Гаситель вибрации ГПГ-1,6-11-400/21
d=11 мм; 2R=21 мм; L=400 мм; H=78 мм
Выбор гасителя вибрации осуществляется с учетом марки и
сечения провода. Выбирается гаситель вибрации ГПГ-1,6-11-400/21. Для
грозозащитного троса гаситель вибрации не требуется, так как σтtср<18,0
даН/мм2.
Расстояние от зажима до места крепления виброгасителя,
мм,
На заданном профиле трассы расстановка опор производится
с помощью специальных шаблонов. Шаблон представляет собой три кривые провисания
провода, сдвинутые относительно друг друга, построенные в виде парабол для
режима, при котором возникает наибольшая стрела провеса. В п. 4.5 была
определена максимальная стрела провеса, которая соответствует режиму
максимальной температуры, fmax=3,24 м.
Кривая 1 – кривая провисания нижнего провода – строится
на основе формулы стрелы провеса:
, (6.1)
где γfmax, σfmax – удельная нагрузка и
напряжение в проводе в режиме, отвечающем наибольшей стреле провеса. Данная
формула представляется в виде уравнения:
y=a·x2, (6.2)
где
; a=.
Для режима максимальной температуры уравнение примет вид:
,
Для построения кривой 1 в 1-ом квадранте выполняется
несколько расчетов, представленных в виде таблицы 6.1.
Таблица 6.1 – Построение кривой 1
l
0
50
100
150
202,5
x
0
25
50
75
101,
y
0
0,27
0,79
1,78
3,24
Кривая 2, называемая габаритной, сдвинута о вертикали
вниз от кривой 1 на расстояние требуемого габарита от земли Г=6 м. Кривая 3 –
земляная – сдвинута от кривой 1 вниз на расстояние h2-λгир.ф=13,5-1,339=12,161
м (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 – Построение шаблона
Шаблон накладывают на профиль трассы так, чтобы кривая 3
пересекала профиль в месте установки первой анкерной опоры, а кривая 2 касалась
его, при этом ось у должна быть строго вертикальной. Тогда другая точка
пересечения кривой 3 с профилем будет соответствовать месту установки первой
промежуточной опоры. При таком положении шаблона во всех точках пролета габарит
будет не меньше допустимого. Аналогично находится место установки второй
промежуточной опоры и т.д.
После монтажа анкерного участка в проводах происходит
выравнивание напряжения, которое соответствует какому-то условному пролету.
Этот пролет называется условным, и его длина, м, определяется из выражения:
, (6.3)
где li – фактическая длина i-го пролета в анкерном
участке, м;
n – количество пролетов в анкерном участке;
=166.
В результате расчетов получили что lпр отличается от lр
на
∙100%=18%,
что больше допустимых 5%. В таком случае заново
проводится механический расчет, построение шаблона и расстановка опор на
трассе. Для данного курсового проекта допускается изменить расстановку опор без
проведения повторного механического расчета.
Построение нового шаблона.
,
Для построения кривой 1 в 1-ом квадранте выполняется
несколько расчетов.
Таблица 6.2 – Построение кривой 1
l
0
50
100
166
x
0
25
50
83
y
0
0,27
0,79
2,18
Новая расстановка опор показана на рисунке 6.3.
Приведенный пролет, м,
=132
Проверка:
∙100%=20%.
В результате повторного расчета разница между приведенным
и расчетным пролетом снова велика. Расчет повторяется до тех пор пока разница
между значениями пролетов будет не более 5%.
При расстановке опор по профилю трассы все они должны
быть проверены на прочность в реальных условиях. Проверка выполняется
сопоставлением вычисленных для каждой опоры весового и ветрового пролетов со
значениями этих пролетов, указанных в технических характеристиках опоры.
Весовой пролет, м,
, (6.4)
где эквивалентные пролеты вычисляются по формулам:
-первый (большой) эквивалентный пролет, м,
, (6.5)
-второй (малый) эквивалентный пролет, м,
, (6.6),
где l – действительная длина пролета, м;
Δh – разность между высотами точек подвеса провода,
м;
Смежными эквивалентными пролетами, прилегающими к опоре,
могут быть и два больших или два малых эквивалентных пролета. Тогда выражение
(6.4) будет иметь вид:
;
или
.
Ветровой пролет, м,
. (6.7)
Расчет для второй опоры.
=108,4;
=206,9;
=157,6;
=141,0.
Для остальных опор расчет сводится в таблицу 6.2.
Таблица 6.2 – Проверка опор на прочность
№ опоры i
l'эi-1, м
l”эi-1, м
l’эi, м
l”эi, м
Δhi-1, м
Δhi, м
lвес, м
lветр, м
1
2
3
4
5
6
7
-
-
-
-
204,3
-
-
184,3
108,4
43,1
168,0
-
104,6
148,7
205,6
206,9
200,0
-
189,4
173,3
165,0
-
-
-
143,7
-
-
-
0,55
2,23
2,99
0,86
1,54
1,82
0,58
2,23
2,99
0,86
1,54
1,82
0,58
0,41
194,9
157,6
121,5
155,8
196,8
138,9
156,8
175,5
141,0
154,5
179,0
160,5
154,0
158,5
Таким образом, для каждой опоры выполняются условия
Определяется исходный режим из соотношений трех
критических пролетов и приведенного пролета: lк1 – мнимый, lпр=166 м>lк3=144,2
м.
На основании полученных соотношений определяется исходный
режим. Это режим максимальной нагрузки с параметрами: σи=[σγ.max]=13,0
даН/мм2, γи=γmax=8,5·10-3 даН/(м·мм2), tи=tгол=-5°С.
Расчет напряжения при монтаже осуществляется с помощью
уравнения
. (7.1)
Стрела провеса провода в интересующем пролете lф, м,
определяется из выражения
, (7.2).
Тяжение провода, даН, рассчитывается по формуле
, (7.3)
С помощью уравнения состояния рассчитывается напряжение в
проводе при температуре монтажа tmax=40°C и tmin=-10°C.
при tmax=40°C:
.
Полученное уравнение приводится к виду:
.
=5,53
даН/мм2.
Тяжение в проводе, даН,
,
=957,8.
при tmin=-10°C:
.
Полученное уравнение приводится к виду:
.
=10,74
даН/мм2.
Тяжение в проводе, даН,
=1860,2
даН.
Для наибольшего пролета lmax=194 м и наименьшего пролета
lmin=125 м по формуле (7.2) рассчитываются стрелы провеса при максимальной и
минимальной температурах, м,
lmax=194 м
=2,94;
=1,52;
lmin=125 м
=1,22;
=0,63.
Расчет при других температурах выполняется аналогично,
результаты заносятся в таблицу 7.1.
Стрела провеса провода в габаритном пролете при
температуре 15°С, м,
, (7.4)
=2,84.
Исходные данные для троса: σтгр=14,7 даН/мм2, γт1=8·10-3
даН/(м·мм2), t=15°C.
Стрела провеса троса в габаритном пролете в режиме грозы
исходя из требуемого расстояния z для габаритного пролета, м,
, (7.5)
=3,104.
Определяется величина напряжения в тросе по известной
величине fтгр, даН/мм2,
, (7.6)
=16,3.
Определяются напряжения в тросе при температуре монтажа
из уравнения состояния, принимая в качестве исходного грозовой режим.
, (7.7)
Для наибольшего пролета lmax=194 м и наименьшего пролета
lmin=125 м рассчитываются стрелы провеса троса, м,
, (7.8)
, (7.9)
Тяжение в тросе, даН,
, (7.10)
Расчет для температуры -10°С.
Полученное уравнение приводится к виду:
.
=20,33
даН/мм2.
Тяжение в тросе, даН,
=988
даН.
Стрела провеса при lmax=194 м, м,
=1,85.
Стрела провеса при lmin=125 м, м,
=0,77.
Расчет при других температурах выполняется аналогично,
результаты заносятся в таблицу 7.2.
Таблица 7.1 – Монтажная таблица провода
Температура, °С
Напряжение, даН/мм2
Тяжение, даН
Стрела провеса в пролете длиной, м
l=194
l=125
-10
0
10
15
20
30
40
10,74
9,42
8,24
7,70
7,19
6,28
5,53
1860,2
1631,5
1427,2
1333,6
1245,3
1087,7
957,8
1,52
1,73
1,97
2,11
2,26
2,59
2,94
0,63
0,72
0,82
0,88
0,94
1,08
1,22
Таблица 7.2 – Монтажная таблица троса
Температура, °С
Напряжение, даН/мм2
Тяжение, даН
Стрела провеса в пролете длиной, м
194 м
125 м
-10
0
10
20
30
40
20,33
18,61
17,03
15,60
14,33
13,20
988,0
904,4
827,7
758,2
696,4
641,5
1,85
2,02
2,21
2,41
2,63
2,85
0,77
0,84
0,92
1,00
1,09
1,18
Монтажные графики для провода и троса изображены на
рисунках 7.1 и 7.2.
В данном курсовом проекте были рассмотрены основные этапы
проектирования механической части воздушных ЛЭП: выполнены выбор промежуточных
опор, механический расчет проводов и грозозащитного троса, выбор линейной
арматуры, произведены расстановка опор по профилю трассы и расчет монтажных
стрел провеса.
В ходе выполнения данного курсового проекта получены
навыки пользования справочными материалами и нормативными документами, а также
навыки выполнения самостоятельных инженерных расчетов с привлечением
прикладного программного обеспечения персональных компьютеров.