Воздушные и кабельные линии электропередач

Кафедра «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине «Воздушные и кабельные линии электропередач» для студентов по направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника Нижний Новгород 2015 1 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА № п/п Автор(ы) Заглавие Издательство, год издания 1 Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения М. : Изд.дом МЭИ, 2007 2 В.М. Лаврентьев, Н.Г. Царанов Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт ВЛ 110-1150 кВ М.: Издательский дом МЭИ, 2014 3 Е.В. Аметистов Основы современной энергетики М.: Изд-во Москю энергет. ин-та, 2010 4 Идельчик В.И. Электрические системы и сети М.: Высш. шк., 1989 5 Крюков К.П., Новгородцев Б.П. Конструкции и механический расчет линий электропередачи М.: Энергия, 1970 6 С.В. Крылов, И.А. Мерман, М.А. Реут Технология сооружения линий электропередачи М.: Энергоатомиздат, 1983 7 Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии М.: Энергоатомиздат, 1996 8 Попов Е.Н. Механическая часть воздушных линий электропередачи Благовещенск: Изд-во Амур. гос. ун-та, 1999 9 Костин В.Н. Системы электроснабжения. Конструкции и механический расчет СПб.: СЗТУ, 2002 2 ВВЕДЕНИЕ Линия электропередач (ЛЭП) – является компонентом электрической сети и представляет собой систему проводов (или кабелей), предназначенных для передачи электрической энергии от источников к потребителям посредством электрического тока. Номинальные линейные напряжения ЛЭП: 0,22; 0,38; 0,66; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 220; 330; 500; 750; 1250 кВ. ЛЭП подразделяются на воздушные и кабельные. Воздушные ЛЭП - устройства для передачи электроэнергии по неизолированным (голым) или изолированным проводам, расположенным на открытом воздухе. Основными элементами воздушной ЛЭП являются: провода (1) – для передачи электроэнергии; изоляторы (2) – изолируют провода от опоры; линейная арматура – для закрепления проводов на изоляторах; опоры (6) – поддерживают провода на определенной высоте над уровнем земли или воды (4 – тросостойка, 5 – траверсы опоры); фундаменты (7) – для установки опор. Дополнительными элементами могут быть: грозозащитные тросы (3), заземления, разрядники и др. (виброгасители). Кабельные ЛЭП - линии для передачи электроэнергии или ее отдельных импульсов, состоящие из одного или нескольких кабелей. 3 Конструкция кабеля, обычно, рассчитана на подземную или подводную прокладку и включает в себя одну или несколько токопроводящих жил, покрытых изоляцией и заключенных дополнительно в общую изолирующую и защитную оболочки. Выполняются, как правило, напряжением до 35 кВ. Современные тенденции 4 Из истории Практическое использование линий электропередачи в России началось в 70х гг. XIX в., когда возникла необходимость передачи электроэнергии от генераторов к электрическим лампам накаливания А. Н. Лодыгина и «свечам Яблочкова». Работы по военной минной электротехнике и электромагнитному телеграфу привели к созданию подводного и подземного кабелей. (П. Л. Шиллинг, 1812г., Э.В. Сименс, 1848 г.). В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой начинается история электропередачи. На этой выставке инженер Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин, включив между генератором и электродвигателем барабан с кабелем длиной в 1 км, который имитировал ЛЭП соответствующей длины. В России в 1874 г. Ф. А. Пироцкий провел опыт по передаче энергии на расстояние 200—1000 м на артиллерийском полигоне Волкова поля (около Петербурга), использовав в качестве генератора электромашину Грамма. В 1882 г. французский электротехник М. Депре построил линию Мисбах – Мюнхен длиной 57 км на постоянном токе напряжением 1,5 – 2 кВ и мощностью 3 л.с. с телеграфным проводом диаметром 4,5 мм. В 1889 г. русский инженер М. О. Доливо-Добровольский сконструировал первый трехфазный асинхронный двигатель. В августе 1891 г. осуществил преобразование и передачу электроэнергии трехфазным током на 170 км от места установки турбины мощностью 300 л.с. на реке Неккер (близ местечка Лауфен) до Всемирного электротехнического выставки во Франкфурте-на-Майне. Электрогенератор был выполнен на напряжение 95 В, масляные трансформаторы повышали линейное напряжение до 15 кВ и подавали его в трехпроводную линию с пролетом средней длиной 60 м. Медные провода диаметром 4 мм крепились на штыревых фарфоровомасляных изоляторах. Первые линии электропередачи в России напряжением до 20 кВ появились в районах Баку и Донбасса, в Брянской области и ряде других промышленных районов. 5 1 ПРОВОДА И ГРОЗОЗАЩИТНЫЕ ТРОСЫ Воздушные ЛЭП выполняются неизолированными проводами (достоинства: дешевле, легче монтаж, лучше теплоотдача, выше пропускная способность), состоящими из одной (до 1 кВ) или нескольких проволок (линии всех напряжений). 1.1 МАТЕРИАЛЫ ПРОВОДОВ 1.1.1 Свойства материалов проводов Материал, из которого изготавливается провод, должен обладать следующими свойствами. 1. Электрическая проводимость. Для изготовления проводов применяются (в порядке убывания проводимости) – медь, бронза, алюминий, сталь. У алюминия проводимость в 1,5 раза меньше, чем у меди. Но удельная масса меди в 3 раза больше, чем у алюминия. Поэтому при одинаковой пропускной способности алюминиевые провода в 2 раза легче. 2. Механическая прочность. По механической прочности наилучшим материалом считается сталь. 3. Стойкость к атмосферным воздействиям (коррозионная стойкость). По этим свойствам более предпочтительные медные и бронзовые провода. Алюминиевые провода коррозируют в агрессивных средах – в среде с наличием солей (приморские районы) и щелочей (химические предприятия). Стальные провода коррозируют даже в нормальных атмосферных условиях (поэтому их покрывают слоем цинка). 1.1.2 Сравнение материалов проводов Материал проводов должен иметь высокую электрическую проводимость, обладать достаточной прочностью и стойкостью по отношению к коррозии и химическим воздействиям. Сравнивая по всем необходимым параметрам, можно прийти к выводу, что самый хороший материал – это медь (хорошая проводимость, большая механическая прочность и коррозионная стойкость). Но она дорога и дефицитна. Поэтому медные провода для выполнения ВЛ не применяются. Основными материалами для ВЛ являются алюминий и сталь. Стальные провода значительно ниже по проводимости, особенно вследствие влияния поверхностного эффекта. Поверхностный эффект вызывает увеличение активного сопротивления во всех проводах, но в медных и алюминиевых проводах это увеличение заметно только при больших диаметрах. При этом сопротивление стального провода изменяется с изменением тока. По этим причинам провода из стали применяются редко. 6 Для ЛЭП сталь используется только при малых токах и низких напряжениях. (грозозащитные тросы). Большая проводимость, легкость и распространенность в природе алюминия привели к эффективному его использованию в качестве токопроводящего металла для проводов и кабелей. Основной недостаток алюминия – относительно малая механическая прочность. Алюминиевые однопроволочные провода не выпускаются из-за их низкой прочности. При производстве проводов также применяются сплавы. Сплавы позволяют сочетать в проводе высокие электрические, механические и коррозионные свойства. Бронза – сплав меди с оловом, кадмием и магнием. Применяется для проводов большой прочности при выполнении больших переходов (для ВЛ бронзовые провода не используются). Алдрей – сплав алюминия с незначительными добавками (доли процента) железа и кремния. По электрической проводимости алдрей уступает алюминию всего на 15%, но превосходит в 2 раза по механической прочности. Провода из алдрея в России практически не изготавливаются. Медный провод Стальной провод Алюминиевый провод Бронзовый провод Для ЛЭП медь и еѐ сплавы использовать не выгодно, гораздо экономичнее применять алюминиевые сплавы, этим и объясняется повышенный интерес к разработке и применению новых алюминиевых сплавов и их комбинаций. Новым направлением в этой зоне является использование алюминий циркониевых сплавов. TAL и ZTAL – высокотемпературные наноструктурные сплавы алюминия и циркония, которые могут эксплуатироваться без потери предела прочности при температурах до 150 ºC и 210 ºC соответственно. 7 1.1.3 Конструкции проводов в зависимости от применяемых металлов В зависимости от применяемых материалов выделяют монометаллические, биметаллические и комбинированные провода. Монометаллические провода – изготавливаются из однородных металлов и сплавов. Биметаллические провода – изготавливаются из проволок, состоящих из двух слоев металла. Например, сердцевина проволоки выполнена из стали и покрыта слоем меди или алюминия. Такие провода сочетают механические свойства одного металла с проводящими другого. Биметаллические провода выполняют однопроволочными и многопроволочными. Комбинированные провода – изготавливаются из проволок двух разных металлов. Внутренняя часть многопроволочного провода изготавливается из стальных проволок, внешняя – из аллюминиевых, бронзовых, алдреевых или биметаллических проволок. В таких проводах влияние поверхностного эффекта незначительно. Комбинированные провода называют сталеаллюминиевыми, сталебронзовыми и. т. п. Внешняя часть провода из бронзы, алдрея или биметаллических проволок позволяет использовать провода в условиях коррозии. 1.2 КОНСТРУКЦИИ ПРОВОДОВ И ТРОСОВ По конструкции провода и тросы разделяют на одновроволочные и многопроволочные. 1.2.1 Однопроволочные провода Однопроволочный провод представляет собой проволоку, как правило, круглого сечения из однородного металла, сплава или из двух слоев металла 8 (монометаллический или биметаллический провод). Такие провода дешевле многопроволочных, однако менее гибки и имеют меньшую механическую прочность. Вследствие этого применяются ограниченно в сетях до 1000 В при небольших электрических нагрузках. Жесткость при изгибе однопроволочного провода металла пропорциональна четвертой степени его диаметра. Поэтому в однопроволочных проводах местные изгибы могут привести к заметному повреждению общего напряжения (которое складывается из напряжения от растяжения и изгиба), то есть к уменьшению его запаса прочности. Также случайные изгибы при монтаже могут вызвать в его внешних слоях остаточные деформации. Эти и другие соображения приводят к необходимости ограничения диаметра однопроволочного провода и, следовательно, к ограничению его пропускной способности и (следствие из этого) ограничению области применения сетями до 1000 В (в основном). 1.2.2 Многопроволочные провода Многопроволочный провод представляет собой канат, скрученный из отдельных проволок. Особенности применения многопроволочных проводов: - обладают большой гибкостью, следовательно надежны в работе на ВЛ; - могут быть изготовлены любого сечения и диаметра; - применяются на линиях всех напряжений (до и выше 1000 В); - по своим механическим свойствам значительно превосходят однопроволочный этого же сечения. Особенности конструкции многопроволочных проводов: - в зависимости от применяемых металлов могут быть монометаллическими, биметаллическими и комбинированными; - по конструкции могут быть нормальные и полые (пустотелые). Нормальные многопроволочные провода Изготавливаются, как правило, из круглых проволок. В центре могут располагаться одна, две, три и больше проволок одинакового диаметра. 9 Наиболее распространенной является конструкция с одной центральной проволокой. Провода с тремя свитыми вместе центральными проволоками применяют в случаях, когда желательно увеличить диаметр провода. На центральную проволоку (проволоки) навивается один или несколько концентрических повивов (слоев) проволок в зависимости от требуемого диаметра. Диаметры проволок концентрических повивов могут быть такими же, как и диаметры центральных проволок, но могут и отличаться. Так же различаться могут и диаметры проволок разных повивов. Все проволоки одного повива должны иметь одинаковый диаметр. При одной центральной проволоке и равном диаметре всех проволок первый повив имеет шесть проволок, а каждый последующий на шесть проволок больше, чем предыдущий: (1центр+61повив+122повив). В повиве n=6(N-1), где N-номер повива. Количество в проводе проволок: n0=3N(N-1)+1. Особенности скрутки нормальных многопроволочных проводов 1) Диаметры отдельных проволок и их число подбирают так, чтобы сумма поперечных сечений отдельных проволок дала требуемое общее сечение провода. 2) После скрутки каждая проволока повива располагается на винтовой линии. Высота подвеса винтовой линии при одном полном обороте вокруг оси провода называют шагом скрутки. Если винтовую линию в пределах одного оборота развернуть на плоскость, то получится следующий рисунок. 10 β L h α πd0 На рисунке: h – высота подъема винтовой линии (шаг скрутки); α – угол подъема винтовой линии; β – угол скрутки; d0 – диаметр окружности, проведенной через центр проволок данного повива. Величина «h» во много раз (примерно в 15-18) превышает величину произведения «πd0». Таким образом, винтовая линия преобразуется в прямую, которая будет являться гипотенузой прямоугольного треугольника с катетами «h» (шагом скрутки) и «π d0» (длиной окружности, проведенной по центрам проволок данного повива, при условии, что диаметр проволоки намного меньше диаметра повива). 3) С целью придания проводу круглой формы (а также увеличения конструктивной устойчивости) проволоки смежных повивов скручивают в противоположные стороны. Наружный повив должен иметь правое направление. 4) Скрученные проволоки имеют большую длину, чем длина провода по его оси (т.к. на рисунке). Поэтому фактическая масса провода больше, чем теоретическая. Это нужно учитывать в расчетах. В соответствующих стандартах даются формулы для расчета массы в зависимости от числа проволок. 5) Скрутка влияет на прочность провода. Прочность многопроволочного провода всегда меньше суммы разрывных прочностей отдельных проволок, свитых в провод. Разрывное усилие многопроволочного монометаллического провода: Р = α · рi , где: рi – разрывное усилие одной проволоки; α – понижающий коэффициент, равный 0,95 при числе проволок не более 37, и равный 0,9 при большем числе проволок. 11 Для сталеаллюминиевого многопроволочного провода формула расчета разрывного усилия: , где: – разрывное усилие одной алюминиевой проволоки; - коэффициент, равный: 0,92 – для проводов с однопроволочным стальным сердечником (с одной центральной проволокой) и 6-ю алюминиевыми проволоками; 1,0 – для остальных проводов; - усилие в одной стальной проволоке при удлинении на 1%; – коэффициент, равный: 1,0 – с одной центральной проволокой; 0,92 – до семи проволок в сердечнике (два повива); 0,95 – при проволок в сердечнике. Число аллюминиевых повивов не должно быть более трех (по условиям технологичности изготовления). Поэтому при больших сечениях провода диаметр аллюминиевых проволок меньше диаметра стальных проволок. Полые многопроволочные провода Изготавливаются из меди или алюминия. Появились вследствие попытки использовать медь для воздушных линий 220 кВ без лишних затрат металла. Выделяют два типа полых проводов – с поддерживающим каркасом и без него. Полые провода с поддерживающим каркасом представляют собой круглые или плоские медные проволоки, которые навиваются на жесткий каркас в один или несколько повивов. Полые провода без поддерживающего каркаса изготавливают из плоских проволок, соединенных друг с другом в паз, что обеспечивает конструктивную прочность провода. 12 У таких проводов больший по сравнению со сплошными диаметр, благодаря чему повышается напряжение появления коронирующего разряда на проводах и значительно снижаются потери энергии на корону. Полые провода применяются на ВЛ редко, они, в основном, используются для ошиновки подстанций 330 кВ и выше. Алюминиевые и медные полые без поддерживающей опоры провода предназначены для воздушных линий электропередачи, для открытых подстанций и переключательных пунктов. Полые провода состоят из алюминиевых или медных проволок фасонного сечения, образующих один повив и соединенных друг с другом в замок (без поддерживающего каркаса). 13 1.3 СТАНДАРТЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МАРКИРОВКА ПРОВОДОВ И ТРОСОВ Основными стандартами являются: 1. ГОСТ 839-80 - распространяется на медные, алюминиевые, из алюминиевых сплавов и сталеалюминиевые неизолированные провода. Выделяют следующие марки проводов: «М» - медные «А» - алюминиевые. «АС» - сталеаллюминиевые. Выпускают коррозионно-стойкие провода, которые предназначены для ВЛ, проходящим по побережьям морей, соленых озер и в промышленных районах с загрязненным воздухом: АСКС – межпроволочное пространство стального сердечника, включая его наружную поверхность, заполнено нейтральной смазкой повышенной нагревостойкости. АСКП – межпроволочное пространство всего провода, за исключением наружной поверхности, заполнено нейтральной смазкой повышенной нагревостойкости. АСК – стальной сердечник изолирован двумя лентами полиэтилентерефталатной пленки. Многопроволочный стальной сердечник под полиэтилентерефталатными лентами должен быть покрыт нейтральной смазкой повышенной нагревостойкости. Отношения (округленные) сечений алюминиевой и стальной частей провода обозначаются, соответственно, в числителе и знаменателе дробной цифровой части обозначения после буквенного обозначения: Например, «АС» 150/24 – сталеаллюминиевый провод с сечением аллюминиевой части 149 мм2 и стального сердечника 24,2 мм2 с округлением сечений. 2. ГОСТ 3062-69, ГОСТ 3063-66, ГОСТ 3064-66 – распространяются на тросы. Согласно ГОСТ стальные канаты обозначаются буквами «ТК», затем следует цифра, обозначающая диаметр каната. Грозозащитные тросы применяются сечением не менее 35 мм2; на ВЛ-35кВ. – ТК-35(сечением) мм2; ВЛ 110 и 150 кВ. - 50 мм2; 220 кВ. и выше - 70 мм2. 3. ГОСТ 31946-2012 – на провода самонесущие изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи. Самонесущий изолированный провод - многожильный провод для воздушных линий электропередачи, содержащий изолированные жилы и несущий элемент, предназначенный для крепления или подвески провода и выполняющий функцию нулевого рабочего (N) или нулевого защитного (РЕ) или совмещенного нулевого рабочего и нулевого защитного проводников (PEN) 14 2 ИЗОЛЯТОРЫ И АРМАТУРА 2.1 ТИПЫ ИЗОЛЯТОРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ Изолятор - это устройство, предназначенное для изоляции и крепления проводов воздушных линий электропередачи (ВЛ) и распределительных устройств электростанций и подстанций, а также токоведущих частей в электрических аппаратах. Изоляторы ВЛ называются линейными (в РУ также могут быть опорные и проходные изоляторы). В качестве изоляционного материала может применяться: фарфор, закаленное стекло, полимерные материалы. Фарфоровые изоляторы Стеклянные изоляторы Изоляторы из полимерных материалов Недостаток фарфора – внутренние дефекты не проявляются внешне. Стеклянные изоляторы при пробое разлетаются. В настоящее время широко применяются изоляторы из полимерных материалов. По способу крепления линейные изоляторы подразделяются на две основные группы: штыревые и подвесные. 15 2.1.1 Штыревые изоляторы Штыревые изоляторы закрепляются на опорах с помощью штырей и крючьев. Широко применяются на ВЛ до 1000 В, а так же на ВЛ 6, 10 и 35 кВ (на 35 кВ редко и только для проводов малых сечений). На напряжение до 10 кВ штыревые изоляторы изготавливают одноэлементыными (наиболее простая конструкция и форма). На напряжение 20 и 35 кВ штыревые изоляторы состоят из нескольких склеенных элементов. Маркировка штыревых изоляторов состоит из буквенной части, цифрой и буквы после цифр. Например: ШФ 10-В (буквенная часть – тип изолятора; первая буква – штырьевой; вторая буква – материал: фарфоровый (Ф), или стеклянный (С), последняя буква обозначает исполнение изолятора). 2.1.2 Подвесные изоляторы Подвесные изоляторы закрепляются на опорах с помощью линейной арматуры и соединяются в гирлянды. Применяются на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Число изоляторов в гирлянде зависит от напряжения линии. 16 Подвесные изоляторы состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей части (1) и металлических деталей – шапок (2) и стержней (3), соединяемых с изолирующими элементами посредством цементной связки (4). На рисунке показан фарфоровый изолятор нормального исполнения. Подвесные изоляторы обозначаются буквенной и цифровой частями. Первая буква «П» обозначает подвесной изолятор, на втором месте буква «Ф» или «С» обозначает фарфоровый или стеклянный изолятор. Цифровая часть обозначает разрушающую электромеханическую нагрузку изолятора. 2.1.3 Стержневые полимерные изоляторы Представляют собой изолированный стержень из стеклопластика. На него накладывается специальный слой из фторопласта или специальной резины. Оболочка имеет ребристую поверхность и служит для защиты изоляции стержня от механических повреждений. Отличие полимерных изоляторов от стеклянных и фарфоровых изоляторов: - Полимерные (композитные) изоляторы до 10 раз легче фарфоровых и стеклянных; - Большая электрическая прочность; - Исключена необходимость трудоемкой сборки гирлянд; - Стойки к вандализму; - Создают более низкий уровень радиопомех Эволюция полимерных изоляторов Первые полимерные изоляторы, относящиеся к изоляторам I поколения, изготавливались по так называемой «шашлычной» технологии, при которой оболочка наносилась на стеклопластиковый стержень вручную пореберной склейкой. На изоляторах II поколения был осуществлен переход на цельнолитую кремнийорганическую защитную оболочку на основе силиконов, устойчивых к воздействию ультрафиолетового излучения и других атмосферных факторов. 17 Вход стержня в оконцеватель перекрывается защитной оболочкой, обладающей высокой адгезией к оконцевателю и стержню изолятора. Данная технология является не новой, а является доработкой технологии цельного литья До сих пор нет единого мнения о ресурсе полимерных изоляторов и долгосрочной надѐжности материалов, используемых при их производстве. Бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией в значительной мере зависит, как от качества применяемых изоляторов, так и от правильности их выбора (типа и количества). Полимерные изоляторы так же, как и фарфоровые, обладают рядом недостатков. 2.1.4 Основные характеристики изоляторов Выделяют четыре основных характеристики изоляторов, которые нормируются ПУЭ. 1) Мокроразрядное напряжение – это напряжение промышленной частоты, при котором изолятор перекрывается в условиях дождя. Мокроразрядное напряжение определяется при дожде силой 3 мм/мин, с удельным сопротивлением около 104 Ом/см, направленном под углом 45 градусов к оси изолятора. Сухоразрядное напряжение, то есть промышленной частоты, при котором происходит перекрытие изолятора с сухой и чистой поверхностью, не является расчетным для ВЛ и не нормируется. Мокроразрядное напряжение определяет условия работы изоляторов при внутренних (коммутационных) перенапряжениях. 2) Импульсное напряжение – определяет условия работы при атмосферных перенапряжениях. 18 Разрядные характеристики изоляторов зависят от поверхностей, по которым ток может протекать по изолятору. Чем больше ребер, тем больше длина пути утечки, тем выше разрядные характеристики. Длина пути утечки определяет условия работы изоляторов при рабочем напряжении ВЛ. 3) Электромеханическая разрушающая нагрузка подвесного изолятора – механическая нагрузка, при которой изолятор пробивается. Для штыревых изоляторов – это механическая разрушающая нагрузка на изгиб. 4) Одночасовая электрическая нагрузка (или прочность) – это предельная механическая нагрузка, которую изолятор выдерживает одновременно с электрическим напряжением в течение 1 часа без образования трещин. Она составляет обычно около 75% его разрушающей нагрузки. Сейчас эта величина не используется при выборе изоляторов, однако еще используется в старых обозначениях типов изоляторов (например «ПС 6-Б» обозначает разрушающую нагрузку 6 т. (тонн); при старом обозначении этого же изолятора «ПС-4, 5» с одночасовой нагрузкой 4,5 т.). 19 2.2 ЛИНЕЙНАЯ АРМАТУРА Применяется для крепления проводов к изоляторам и изоляторов к опорам. 2.2.1 Виды арматуры Выделяют пять основных видов линейной арматуры. 1) Зажимы – предназначены для непосредственного закрепления проводов и тросов. 2) Сцепная арматура – предназначена для соединения зажимов с изоляторами, для подвеса гирлянд на опорах, для соединения гирлянд. Сцепной арматурой являются – скобы, серьги, ушки, коромысла. Поддерживающая гирлянда изоляторов закрепляется на траверсе промежуточной опоры при помощи серьги 1. Серьга 1 с одной стороны соединяется со скобой или с деталью на траверсе, а с другой стороны вставляется в шапку верхнего изолятора 2. К нижнему изолятору гирлянды за ушко 3 прикреплен поддерживающий зажим 4, в котором помещен провод 5. 3) Защитная арматура – предназначена для более равномерного распределения напряжения между отдельными изоляторами гирлянды и для защиты их от повреждений при перекрытиях (монтируется на гирляндах 330 кВ и выше). 4) Соединительная арматура – предназначена для соединения проводов и тросов в пролете, а так же для соединения проводов в шлейфах на анкерных опорах. Соединители подразделяются на овальные и прессуемые. Овальные соединители применяются для проводов до 185 мм2 включительно. В них провода укладываются внахлест, после чего производится обжатие соединителя с помощью специальных клещей. 20 Сталеалюминиевые провода сечением до 95 мм2 включительно закрепляются в соединителях методом скручения. Прессуемые соединители используются для соединения проводов сечением 240 мм2 и более и стальных тросов всех сечений. 5) Распорки – применяются для соединения друг с другом проводов расщепленной фазы. Распорка 1 фиксирует провода расщепленной фазы 2 относительно друг друга. Распорки обеспечивают требуемое расстояние между отдельными проводами фазы и предохраняют их от схлестывания, соударения и закручивания. 21 2.2.2 Зажимы Зажимы разделяются на поддерживающие и натяжные. Поддерживающие зажимы Состоят из лодочки, в которую укладывается провод, плашек и болтов для зажима проводов и деталей для крепления зажима в гирлянде. По прочности закрепления провода поддерживающие зажимы разделяются на четыре типа. 1. Глухие зажимы - прочность заделки достигает 30-90% прочности алюминиевых проводов (20-30% для сталеалюминевых; 10-15% для стальных тросов). Нажимные болты 1 через плашку 2 прижимают провод к корпусу зажима 3 и удерживают его на месте при одностороннем тяжении. В случае обрыва провода или троса в одном пролете, они не вытягиваются из зажима и тяжение провода или троса со стороны уцелевшего пролета передается промежуточной опоре. Глухие зажимы – основной тип зажимов, применяемых на ВЛ 35 – 500 кВ. 2. Выпадающие (выпускающие зажимы) - выбрасывают лодочку с проводом при отклонении гирлянды на угол ≈40° в случае обрыва провода в одном из пролетов. При этом тяжение необорванного провода не передается промежуточной опоре, что позволяет несколько уменьшить ее массу. Однако опыт их эксплуатации не вполне удовлетворителен, так как наблюдались случаи выбрасывания проводов при «пляске» и неравномерной нагрузке гололедом проводов в смежных пролетах. 22 3. Зажимы с ограниченной прочностью заделки - при превышении прочности заделки (усилия в зажиме) провод протягивается (проскальзывает) в зажиме, но не выбрасывается на землю вместе с лодочкой. Применяются на ВЛ 500 кВ. Применение таких зажимов позволяет уменьшить продольные нагрузки на промежуточные опоры ВЛ с расщепленными фазами (зажим обеспечивает крепление трех проводов в одном зажиме). Однако, они недостаточно хорошо проявили себя в эксплуатации. На ВЛ 500 кВ допускается подвеска проводов в глухих зажимах. 4. Многороликовые подвесы (по существу не являются зажимами) - провод может свободно перекатываться по роликам при разности тяжений в смежных пролетах. Применяются на промежуточных опорах больших переходов для крепления проводов сечением 300 мм2 и выше. При этом сталеалюминевые провода на участках возможных перемещений по роликам защищаются гибкими муфтами. Подвесы могут применяться для ВЛ с расщепленными фазами. Натяжные зажимы Натяжные зажимы разделяются на три основных типа. 1. Болтовые натяжные зажимы – применяются для монтажа проводов сечением 35-300 мм2. 23 Болтовые зажимы состоят из корпуса 1, плашек 2, натяжных болтов с гайками 3 и прокладок 4 из алюминия. 2. Прессуемые натяжные зажимы – применяются для монтажа проводов сечением 300 мм2 и выше. Прессуемые зажимы состоят из стального анкера 1, в котором на длине l1 опрессовывается стальной сердечник, и алюминиевого корпуса 2, в котором на длине l2 опрессовывается алюминиевая часть провода со стороны пролета, а на длине l – шлейф. 3. Клиновые натяжные зажимы – применяются для подвески стальных торосов. 24 При натяжении троса клин прижимает трос к корпусу. 2.3 ВЫБОР ИЗОЛЯТОРОВ И АРМАТУРЫ 2.3.1 Выбор изоляторов Выбор типа изоляторов зависит от следующих факторов: 1. Класс напряжения. 2. Район прохождения трассы. 3. Материал и тип опор. 4. Нормальные механические нагрузки на изоляторы. Выделяют коэффициент запаса прочности, который определяется отношением разрушающей нагрузки к нормативной нагрузке на изоляторы в соответствующем режиме. Разрушающая нагрузка делится на механическую для штыревых изоляторов и электромеханическую для подвесных изоляторов. Согласно ПУЭ коэффициенты запаса прочности изоляторов должны быть: 1. В нормальном режиме: При наибольшей нагрузке ≥ 2,7; При среднегодовой температуре, отсутствии гололеда и ветра ≥5. 2. В аварийном режиме: ВЛ напряжением 500 кВ ≥ 2; другие ВЛ ≥ 1,8. Поддерживающие гирлянды изоляторов В нормальном режиме коэффициент запаса для поддерживающих гирлянд рассчитывается по следующим выражениям. При наибольшей нагрузки: В режиме среднегодовой температуры, без ветра и гололеда: где P – электромеханическая разрушающая нагрузка изолятора, дан; p1, p7 – единичная нагрузка от собственного веса провода и от веса с гололедом при ветре, дан/м; lвес – весовой пролет, соответствующий расстояниям между низшими точками провисания провода в пролетах, примыкающих к опоре, м; Gг – вес гирлянды изоляторов, дан. 25 На этапе выбора изоляторов Gг выбирается усредненный, из практики проектирования и эксплуатации: для ВЛ–35 кВ – 20 дан; ВЛ–110 кВ – 40 дан; ВЛ–150 кВ – 60 дан; ВЛ–220 кВ – 80 дан; ВЛ–330 кВ – 170 дан; ВЛ–500 кВ – 280 дан. После выбора изоляторов производится уточненный расчет n1 и n2. Согласно ПУЭ число изоляторов в поддерживающих гирляндах в зависимости от напряжения ВЛ и типа изоляторов на металлических и железобетонных опорах принимается: для ВЛ до 10 кВ – 1; для ВЛ 20 кВ – 3; независимо от типа изоляторов для ВЛ 35 кВ – 3 для ВЛ 110 кВ – 6,7 или 8 в зависимости от типа изоляторов; для ВЛ 150 кВ – 8,9 или 10; для ВЛ 220 кВ – 10,11,12,13,14; для ВЛ 330 кВ – 15–21; для ВЛ 500 кВ – 21– 30. На ВЛ 20–220 кВ с деревянными опорами число изоляторов принимается на один меньше табличных значений. Натяжные гирлянды изоляторов Натяжные гирлянды кроме собственного веса провода (с гололедом или без него) воспринимают нагрузку от тяжения провода. Коэффициент запаса для натяжных гирлянд рассчитывается по следующим выражениям. При наибольшей нагрузки: В режиме среднегодовой температуры, без ветра и гололеда: где – напряжение в проводе при наибольшей нагрузке, (дан/мм2); – напряжение в проводе при среднегодовой нагрузке 2 (среднеэксплуатационная), (даН/мм ); F – сечение провода, (мм2); 26 Gг – вес гирлянды изоляторов, (дан). , так как на гирлянду действует вес половины пролета. В натяжных гирляндах число изоляторов принимается на один больше табличного для ВЛ до 110 кВ (включительно), для ВЛ – 150 кВ и выше такое же, что и в поддерживающих гирляндах. На переходных опорах высотой более 40 м число изоляторов увеличивается на один, на каждые 10 м высоты сверх 40 м. В районах с загрязненной атмосферой число изоляторов определяется по удельной длине пути утечки. Устанавливается 6 степеней загрязненности атмосферы. 2.3.2 Выбор арматуры Выбор арматуры определяется принятым типом изоляторов. Арматуру выбирают с той же разрушающей нагрузкой. Прочность проверяется лишь в тех случаях, когда применяют арматуру не соответствующую изоляторам. 27 3 ОПОРЫ ВОЗДУШНЫХ ЛЭП 3.1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ОПОР Рассмотрим классификацию опор по основным признакам. 3.1.1 Классификация по назначению Опоры ВЛ делятся на анкерные и промежуточные. Опоры этих групп различаются способом подвески проводов. Промежуточные опоры Провода подвешиваются с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов. Расстояние между промежуточными опорами называется промежуточным пролетом или просто пролетом. Промежуточные опоры устанавливаются на прямых участках ВЛ для поддержания провода в анкерном пролете. Они дешевле и проще в изготовлении, чем анкерные, так как в нормальном режиме не испытывают усилий вдоль линий. Промежуточные опоры составляют 80-90% общего числа опор ВЛ. Анкерные опоры Служат для натяжения проводов, провода подвешиваются с помощью натяжных гирлянд. Расстояние между анкерными опорами называется анкерным пролетом. Анкерные опоры предназначены для жесткого закрепления проводов в особо ответственных точках ВЛ (железные, автомобильные дороги). Анкерные опоры значительно сложнее и дороже промежуточных, поэтому число их на линии должно быть минимальным. При выходе линии с электростанции или на подходах к подстанции находятся концевые анкерные опоры. Угловые опоры Устанавливают в точках поворота линии. 28 Угловые опоры могут быть анкерного и промежуточного типа. Кроме нагрузок, воспринимаемых промежуточными прямыми опорами, на промежуточные и анкерные угловые опоры действуют также нагрузки от поперечных составляющих тяжения проводов и тросов. Специальные опоры На ВЛ применяются специальные опоры следующих типов. Транспозиционные – для изменения порядка расположения проводов на опорах. Транспозицию применяют на линиях напряжением 110 кВ и выше протяженностью более 100 км для того, чтобы сделать емкость и индуктивность всех трех фаз цепи одинаковыми. Ответвительные – для выполнения ответвлений от основных линий. Переходные – для пересечения рек, ущелий. 3.1.2 Классификация по расположению проводов Наиболее распространенные расположения проводов и тросов на опорах: с треугольным расположением, горизонтальное расположение, обратная елка, бочка. 29 Расположение проводов треугольником применяется на одноцепных ВЛ 35330 кВ с металлическими и железобетонными опорами. Горизонтальное расположение проводов используется на ВЛ 35-220 кВ с деревянными опорами и на ВЛ 330 кВ. Это расположение позволяет применять более низкие опоры и уменьшает вероятность схлестывания проводов при образовании гололеда и пляски проводов. Расположение проводов обратной елкой удобнее по условиям монтажа на двухцепных ЛЭП, но увеличивает массу опор. Расположение проводов бочкой является наиболее экономичным и распространенным на двухцепных ВЛ 35-330 кВ со стальными и железобетонными опорами. 3.1.3 Классификация по количеству цепей на опоре одноцепные двухцепные Многоцепные 30 3.1.4 Классификация по конструкции одностоечные портальные опоры с оттяжками свободностоящие 3.1.5 Классификация по характеру основания 31 узкобазые широкобазые 3.1.6 Классификация по материалу деревянные металлические железобетонные 32 3.2 ДЕРЕВЯННЫЕ ОПОРЫ 3.2.1 Общая характеристика деревянных опор Применяются на ВЛ до 220 кВ включительно (до 10 кВ как основной тип). В качестве материала опор применяются сосна, ель, лиственница, кедр, пихта (ель и пихта только до 35 кВ). Достоинства деревянных опор – малая стоимость, простота изготовления. Недостатки: - гниение, подверженность нападкам насекомых. При неправильной обработке древесины защитными составами она быстро утрачивает свои качества; - возможность слома при сильном обледенении проводов. В районах с морозным климатом при сильно низких температурах опоры из дерева могут сломаться под весом обледенелых линий электропередачи; - необходимость подбора бревен приблизительно одного диаметра. Он должен подходить под размеры "когтей", с помощью которых взбираются на опору для осуществления ремонта. Высота деревянных опор бывает от 6 до 13 метров, а масса деревянной опоры находится в пределах от 180 до 530 килограммов в зависимости от класса древесины и ее кубатуры. Высота унифицированных опор составляет 7,6 – 10,1 м. Сборка деревянных опор. Деревянные опоры, как правило, собирают из заранее заготовленных и антисептированных заводским способом деталей, представляющих собой стандартные элементы (стойки, траверсы с готовыми врубками, затесами и т.д.). Сборку начинают с обработки верхушки стойки на конус или клин. Наклонно затесывают и верхнюю часть деревянного пасынка. Далее приступают к соединению стойки 1 (рис. а) с пасынком 3. Способы соединения стойки с пасынком: – проволочными бандажами со стяжными болтами; – припасовочными хомутами; – проволочными бандажами; 3.2.2 Основные типа деревянных опор Одностоечная промежуточная опора с треугольным расположением проводов – характерна для ВЛ 6-10 кВ со штыревыми изоляторами 6, закрепленными на крюках 5. 33 Нога опоры состоит из стойки 3 и пасынка 1. Пасынок соединяют со стойкой двумя бандажами 2 из стальной проволоки. Пасынки могут быть деревянными и железобетонными. В грунт пасынок заделывают на глубину 1,8 м – до 10 кВ и 2,5 м – для 35-220 кВ. Промежуточная опора для ВЛ 35-110 кВ представляет собой портал, имеющий две стойки с ветровыми связями 8 (раскосы) и горизонтальную траверсу 4. 34 3.3 ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ОПОРЫ 3.3.1 Общая характеристика железобетонных опор Широко применяются на ВЛ до 500 кВ включительно. Достоинства железобетонных опор – долговечнее деревянных, требуют меньше металла, чем металлические, просты в обслуживании. Однако вследствие большой массы сложнее в монтаже. При изготовлении железобетонных опор для обеспечения необходимой плотности бетона применяются виброуплотнение и центрифугирование. Виброуплотнение производится различными инструментами или навесными приборами. Центрифугирование обеспечивает очень хорошее уплотнение бетона и требует специальных машин – центрифуг. Сечения железобетонных опор могут быть различными – круглого профиля, крестообразные, двутавровые, полые квадратные, прямоугольные. Наиболее экономичным является сечение опоры круглого профиля. Ствол опоры может быть цилиндрической и конической формы. Траверсы обычно выполняют из профильной стали. Стойки опор заглубляются на 3-3,5 м в пробуренные котлованы. Если опора выполнена с оттяжками, то стойки опор не заглубляются, а опираются на железобетонные подножки. 3.3.2 Основные типы железобетонных опор Выделяют следующие железобетонные унифицированные опоры: одностоечные свободностоящие и на оттяжках, портальные – свободностоящие, на оттяжках и с внутренними металлическими связями. Одностоечные опоры как свободностоящие, так и на оттяжках применяются на напряжении 6-10 кВ и 35-220 кВ. 35 6-10 кВ 35 кВ 110 кВ Одностоечные свободностоящие одноцепные 220 кВ Одностоечная свободностоящая двухцепная Портальные опоры применяются при горизонтальном расположении проводов. Портальные опоры, как свободностоящие, так и на оттяжках применяются на ВЛ 330-500 кВ. 36 Опора портальная свободностоящая Опора портальная с оттяжками Опора портальная с металлическими связями 37 3.4 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ОПОРЫ 3.4.1 Общая характеристика металлических опор Применяются на ЛЭП от 35 кВ и выше. Изготавливаются из стали и алюминиевых сплавов. Транспортируются отдельными секциями с монтажом на месте, поэтому могут использоваться в труднодоступной местности. Достаточно просты в монтаже. Недостатки металлических опор – в процессе эксплуатации требуют регулярной окраски для защиты от коррозии. Устанавливаются металлические опоры на железобетонных фундаментах, которые могут быть монолитными, сборными или свайными. 3.4.2 Основные типы металлических опор Независимо от конструктивного решения и схемы металлические опоры выполняются в виде пространственных решетчатых конструкций. По конструктивному решению опоры могут быть отнесены к двум основным схемам – одностоечным и портальным. По способу закрепления на фундаментах – свободностоящие и на оттяжках. 38 Промежуточная 220 кВ Анкерная угловая 110 кВ Одностоечные свободностоящие двухцепные опоры На 500 кВ наиболее распространенной конструкции опоры является – портальная на оттяжках. Для линий 750 кВ применяются как портальные опоры на оттяжках, так и V-образные опоры с расщепленными оттяжками. Одноцепная на оттяжках 500 кВ V-образная 1150 кВ Опора ВЛ постоянного тока 1500 кВ Промежуточные металлические опоры 39 3.5 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОПОР ВЛ 6-10 кВ: - деревянные с деревянными и железобетонными пасынками; - железобетонные (вибро или центрифугирование). ВЛ 35 кВ: - железобетонные промежуточные опоры; - металлические анкерные, угловые и концевые. Иногда: - металлические промежуточные (в тяжелых климатических условиях); - деревянные в районах с большими лесными массивами. ВЛ 110-500 кВ: - железобетонные промежуточные опоры; - металлические промежуточные опоры; - металлические анкерные, угловые и концевые. 3.6 ОПОРЫ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В последнее время для строительства и ремонта ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения предлагаются решения на базе опор из композитных материалов. За рубежом композитные опоры применяются для сооружения сетей наружного освещения, а также распределительных сетей низкого, среднего и высокого напряжения. Опоры, как правило, изготавливаются из стеклопластика. По данным зарубежных компаний, впервые опоры ВЛ из композитного материала были установлены в 1960-х гг. на острове Мауи на Гаваях, где деревянные и стальные опоры быстро разрушались под воздействием влажного соленого воздуха. Преимущества опор из композитных материалов: - Устойчивость к химическим реагентам и коррозии; - Устойчивость к вандализму. Композит не представляет интереса для скупщиков металлолома; - Безопасность. Композитные опоры не проводят ток, так как в их составе отсутствует металл. Им не требуется заземление для предотвращения поражения электрическим током людей. - Легкий вес. Композитные стойки самые легкие. Опора высотой десять метров весит чуть больше сорока килограммов. - Долговечность. Опоры из композитных материалов могут простоять более 30 лет. - Низкие затраты на эксплуатацию. Опоры не требуют периодической обработки спецсоставами; 40 - Высокая упругость. Стойки композитные гибкие, они легко переносят сильные порывы ветра и обледенение, им не страшна остаточная деформация. Недостатки опор из композитных материалов: - Прочность. Опоры хоть и соответствуют нормативам прочности, но они уступают по этому показателю опорам других типов. Внутри их конструкция является полой; - Высокая стоимость. Вместо одной композитной опоры можно установить 23 деревянных или металлических. - Горючесть. Если опоры не обработать спецсоставами в несколько слоев, они поддерживают распространение огня. По физико-механическим и электрическим свойствам композитные опоры существенно отличаются от железобетонных и стальных. Это обуславливает существенные отличия конструкции ЛЭП на композитных опорах. По утверждениям ряда специалистов, широкое внедрение композитных опор приведѐт к необходимости изменения требований к линиям электропередач и их типовых конструкций. В России конструкция ЛЭП выполняется в соответствии с Правилами устройства электроустановок. Данные правила разрабатывались достаточно давно, поэтому они фактически учитывают сложившуюся практику применения опор из традиционных материалов (железобетон, металл), то есть жестких и токопроводящих. Соответственно, все требования, предъявляемые ПУЭ относятся именно к этому типу опор. Хотя, применение гибких диэлектрических композитных опор и не запрещено ПУЭ, специальные указания и рекомендации по их применению полностью отсутствуют. В частности, нет указаний по особенностям изоляции и заземления ЛЭП на композитных опорах. Данная неопределенность на существующем этапе приводит к необходимости построения ЛЭП на композитных опорах по нормативам для ЛЭП на железобетонных и стальных опорах, что не позволяет в полной мере реализовать потенциал композитных опор. 41 4 АТМОСФЕРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЛ При проектировании ВЛ необходимо учитывать расчетные условия по температуре, гололеду, скоростному напору ветра. 4.1 ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА Изменения температуры воздуха могут быть достаточно велики. При понижении температуры уменьшается длина провода, что при фиксированных точках закрепления повышает механические напряжения. Повышение температуры проводов приводит к их отжигу и снижению механической прочности. Кроме того, при повышении температуры провода удлиняются и увеличиваются стрелы провеса, что может привести к нарушению габаритов и изоляционных расстояний. Температура воздуха принимается с округлением до значений, кратных пяти. Для определения расчетных значений температур используются климатологические карты распределения температур по территории страны с разной повторяемостью. Используются следующие карты: - максимальных температур; - минимальных температур; - среднегодовых или среднеэксплуатационных температур. 4.2 ГОЛОЛЕД Термином гололед обозначают твердые атмосферные образования, которые могут быть разных видов. 42 4.2.1 Виды гололедно-изморозевых образований Иней и кристаллическая изморозь Являются результатом перехода водяного пара в твердое состояние. Не представляет существенной опасности вследствие небольшой массы. Зернистая изморозь Возникает в результате замерзания на проводах капель воды при дождях с сохранением формы капель (зерен). Удельный вес ― 0,1÷0,4 кг/дм3. Кроме дополнительной нагрузки на провода вызывает закручивание проводов, так как образуется с наветренной стороны несимметрично и может сильно увеличить диаметр провода (парусность). Провод с изморозью может достигать 150-200 мм в диаметре. Парусность значительно увеличивает ветровую нагрузку на провода и опоры. Изморозь может держаться до 10 суток и более. 43 Гололед Образуется в морозную погоду (до 5оС ÷ -10оС) в результате замерзания капель воды не сразу, а после растекания по поверхности провода и поверхности нижних намерзших слоев. В результате образуется аморфный (однородный) слой плотного льда с удельным весом 0,7÷0,9 кг/дм3. Гололед создает большую (иногда катастрофическую) нагрузку на провода и опоры. Мокрый снег Образуется в безветренную погоду при налипании мокрого снега на провода и замерзании его при понижении температуры. Его удельный вес невелик 0,1÷0,5 кг/дм3, но может достигать больших размеров и условия работы могут быть не менее тяжелыми, чем при гололеде В ПУЭ все виды обледенений объединены под общим названием гололеда. При этом под гололедом понимают любой вид обледенения, приведенный к чистому гололеду круглой формы с объѐмным весом 0,9 кг/дм3. Эквивалентирование осуществляется только по весу. Занижение парусности при этом компенсируется увеличенной расчетной скоростью ветра. 4.2.2 Отрицательные последствия от образования гололеда Гололедные образования приводят к появлению значительной механической нагрузки на провода, тросы и опоры в виде дополнительных вертикальных сил. Это снижает запас прочности проводов, тросов и опор линий. На отдельных пролетах изменяются стрелы провеса провода, провода сближаются, сокращаются изоляционные расстояния. В результате гололедных образований возникают обрывы проводов и поломки опор, 44 сближения и схлестывания проводов с перекрытием изоляционных промежутков не только при перенапряжениях, но и при нормальном рабочем напряжении. 4.2.3 Расчет гололеда Расчетный гололед принимается для отметки 10 м от земли и диаметре провода 10 мм. Нормативные значения округляются до значений кратных пяти и составляют 5, 10, 15 или 20 мм соответственно для четырех (I , II, III, IV) районов по гололеду (для особого района 20 или 22 мм и более без округления). Таблица – Нормативная толщина стенки гололеда для высоты 10 м над поверхностью земли Нормативные значения принимаются с поправочными коэффициентами, в зависимости от диаметра провода и высоты подвески при высоте подвеса 25 м от земли. 4.2.4 Борьба с гололедными образованиями Пассивные методы борьбы: - в районах с сильным гололедом (III и выше) не применяются ВЛ с вертикальным расположением проводов; - применение композитных проводов повышенной прочности; - установка опор через небольшие интервалы (на горных участках обледенение на проводах достигает толщины 150-200 мм, опоры ЛЭП устанавливались через 25-50 м, и, несмотря на это, от гололеда провода разрывались на протяжении нескольких километров). 45 Активные методы борьбы: 1. Плавка гололеда электрическим током. Считается наиболее эффективным. При плавке гололеда температура провода повышается значения, при котором расплавляются гололедные образования или становится возможным их сброс (100-130 оС). Производится временное изменение схемы электроснабжения, при которой в данной ВЛ протекает необходимы большой ток, или заранее предусматривается создание короткозамкнутой сети. Также для плавки гололеда применяются специальные источники постоянного (или переменного) тока. Недостатки - применение короткозамкнутых схем требует временного отключения соответствующих линий от общей сети. Электроснабжение потребителей должно производиться по другим временным схемам или с использованием местных резервных источников питания. 2. Механический способ. Разработка мобильных устройств, способных перемещаться по проводам и удалять с них обледенение. Механический способ требует очень много времени и значительных трудозатрат, в большинстве случаев не признается целесообразным. Недостатки – необходимость ручной установки на провод (спец. техника и персонал), необходимость управления оператором. 3. Использование гидрофобных покрытий. Гидрофобные покрытия препятствуют обледенению проводов. Одна из отличительных особенностей гидрофобных материалов – самочистка поверхности от пыли и других твѐрдых частиц при еѐ контакте с каплями жидкости. Даже при очень малых наклонах гидрофобной поверхности капли воды не соскальзывают по ней, а скатываются. Благодаря водоотталкивающим свойствам поверхности, на ней практически не скапливается вода, которая может кристаллизоваться. Кроме того, уже образовавшийся лѐд, изморозь или мокрый снег к таким поверхностям прилипают плохо и осыпаются с проводов под действием собственного веса или ветра. 4. Скин-эффект и бегущие волны. Скин-эффект состоит в том, что токи высокой частоты, в отличие от постоянного тока, не распределяются равномерно по сечению проводника, а концентрируются в очень тонком слое его поверхности, толщина которого при частоте f > 10 кГц составляет уже доли миллиметра, а сопротивление проводов возрастает в сотни раз. Чем больше сопротивление проводов линии, тем большая часть энергии электромагнитного поля бегущей вдоль линии волны преобразуется в тепло. 46 Именно этот эффект и положен в основу нового способа предотвращения гололѐда на линиях электропередач. 4.3 ВЕТЕР И ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ 4.3.1 Характеристики ветра Причиной ветра является перемещение воздушных масс из мест с большим давлением в места с уменьшенным. Ветер характеризуется следующими параметрами. 1. Роза ветров – определяет повторяемость ветров различных направлений (за год, сезон, месяц). 2. Скорость ветра - выражается в м/с или км/час. Воздействие ветра на наземные предметы (или поверхности моря) определяется в баллах Бофорта (17 баллов). Баллы Бофорта переводятся в м/с для условий 10 м над сушой. Из истории История измерений параметров ветра на метеостанциях насчитывает несколько веков. Долгое время проводилось визуальное бесприборное измерение скорости по 12-балльной шкале Бофорта (1 балл — тихое дуновение... 7 баллов — двигаются стволы деревьев и т.д.). Затем в качестве приборов стали применяться флюгеры Вильдта, анемометры и анемографы. Для определения направления ветра в метеорологии используется система румбов на компасе (16 угловых единиц по различным направлениям сторон света), при этом главные румбы соответствуют сторонам света: С, Ю, В, 3 или N, S, О, W. По результатам этих измерений определяется также векторная диаграмма — роза ветров, наглядно изображающая распределение ветров того или иного направления в определенном пункте в течение года (или другого отрезка времени). 47 В современных условиях определяются как абсолютная максимальная скорость ветра, так и его скорость при минимальной температуре и гололеде, данные о которых необходимы для расчетов ветровых нагрузок. Получить данные при отсутствии метеостанций можно по картам СНИПов, на которых нанесены зоны для районов страны < разными скоростями ветра. 4.3.2 Воздушный поток Воздушный поток по своему строению считают однородным, если его скорость ≤ 5 м/с. При большей скорости наблюдаются порывы ветра. Расчет механической прочности опор и проводов ВЛ обычно производят при больших скоростях ветра ( 25 30 м/с), то есть для неоднородного воздушного потока. При этом скорость ветра является пульсирующей величиной и представляется суммой двух составляющих - постоянной (составляющей средней скорости ветра) и переменной (обусловленной пульсацией). В практических расчетах опор нормируемые ПУЭ величины постоянной составляющей умножаются на динамический коэффициент. При расчете проводов пульсации не учитываются, так как провода обладают малой жесткостью и пульсации в разных точках по длине пролета взаимно компенсируются. 4.3.3 Расчет ветровой нагрузки Нагрузка от ветрового воздействия, воспринимаемая поверхностью, перпендикулярной направлению ветра, является горизонтальной и определяется по формуле (кН): pвт=схq0S., где – скоростной напор ветра (Па). Скоростной напор ветра q0, Па, соответствует энергии 1 м3 воздуха, движущегося со скоростью vнор, то есть: q0=0,5ρ vнор2, где ρ — плотность воздуха, кг/м3; vнор –– нормативная скорость ветра, м/с. При температуре 15°С и атмосферном давлении 760 мм ртутного столба плотность воздуха 1,23 кг/м3. Тогда скоростной напор ветра: q0=0,615vнор2. Тогда, в общем виде ветровая нагрузка определяется по формуле: pвт=0,615·10-3 v2схS, 48 где v — скорость ветра, м/с; сх — аэродинамический коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы и положения объекта; S — площадь поверхности, на которую действует воздушный поток, м2. При определении ветровой нагрузки на опору коэффициент сх принимают равным 0,7 для цилиндрических и 1,4 — для плоских опор. Ветровая нагрузка на провод определяется по выражению: pвт=0,615·10-6 v2схd, где d — диаметр круглого или высота контактного провода, мм. Ветровая погонная нагрузка на провод, покрытый гололедом, кН/м, определяется: pг = 0,615 •10-6vг2cх(d+2b), где vг — скорость ветра при гололеде, м/с; d — диаметр провода; b — толщина стенки гололеда, мм. Динамические усилия вследствие пульсации ветра оценить трудно и поэтому распространен упрощенный метод расчета, в котором нормативная скорость ветра умножается на эмпирический коэффициент kп: для незащищенных от ветра мест kп = 1,15; на насыпях высотой более 5 м, в поймах рек и оврагах, где возможны сильные ветры, kп = 1,25; для участков контактной сети на высоких насыпях, эстакадах и местах высотой более 25 м над окружающей местностью kп = 1,35. 4.4 ВИБРАЦИЯ И ПЛЯСКА ПРОВОДОВ Кроме статистических нагрузок, ветер (в сочетании с гололедом или без него) может вызывать колебательные процессы: вибрацию или пляску проводов. 4.4.1 Вибрация проводов Вибрация проводов – это периодические колебания в вертикальной плоскости с большой частотой (5-50 Гц) и малой амплитудой (2-3 диаметра провода). Возникают обычно при слабом ветре, без гололеда при направлении ветра над углом к оси линии и при длине пролета более 100м. При сильном ветре вибрация не наблюдается вследствие неоднородности потока. Вибрация значительно снижает прочность провода, особенно в местах крепления. Чтобы учесть вибрацию ограничивают величину допускаемых напряжений в среднеэксплуатационных условиях. Также применяют специальные средства защиты проводов от вибрации: 1. Усиление провода в местах подвески в поддерживающих зажимах путем обмотки армирующими прутками. 2. Установка виброгасителей на проводах. 49 Гаситель состоит из двух чугунных грузов 1, соединенных стальным тросом 2. Частота собственных колебаний гасителей во много раз меньше, чем провода, и вибрация последнего в результате уменьшается. 4.4.2 Пляска проводов Пляска проводов – это их колебания с малой частотой (0,2 – 0,4 Гц) и значительной амплитудой (0,5 – 5 м и более). Обычно возникает при сочетании порывистого ветра с гололедом (при скорости ветра 5 20 м/с) под углом к оси линии. Пляска проводов может привести к схлестыванию проводов и тросов, разрушению проводов в местах крепления, разрушению арматуры, траверс опор, забрасыванию гирлянд на опоры. Защита от пляски проводов осуществляется активными и пассивными способами. К активным мерам относятся: 1. Устройства, снижающие колебания – демпферы. 2. Улучшение аэродинамических характеристик проводов, препятствие образованию гололеда (плавка гололеда, обмотка провода гладкой лентой, применение плоских проволок внешнего повива провода). Активные способы достаточно сложны, дороги и не всегда эффективны. Пассивные меры сводятся к конструктивному выполнению опор, исключающему возможность схлестывания - разнос проводов по вертикали, переход на горизонтальное расположение. В России в основном применяются пассивные меры. 50 5 КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ Кабелем называют устройство, предназначенное для передачи и распределения электрической энергии и состоящее из одного или нескольких изолированных друг от друга проводников (жил), заключенных в герметическую защитную оболочку из резины, пластмассы, алюминия или свинца. Классификация кабелей Электрические кабели с металлическими жилами классифицируют по порядку передаваемой через кабели мощности, величине напряжения, типу изоляции, назначению и т.д. В соответствии с этим различают: - силовые кабели (СК) низкого, среднего и высокого напряжения (для питания осветительных и силовых электроустановок); - силовые гибкие кабели (для питания передвижных установок); - кабели управления; - контрольные кабели (для создания цепей контроля, сигнализации); - низковольтные провода и шнуры; - кабели и провода связи; - радиочастотные кабели. Кабели кроме вместо металлической жилы могут иметь оптические волокна, их называют оптическими. По типу изоляции силовых кабелей различают: - кабели с бумажной изоляцией, в т.ч. пропитанные и маслонаполненные; - силовые кабели с пластмассовой изоляцией (ПВХ, СПЭ); -кабели с резиновой изоляцией. По величине линейного рабочего напряжения кабели подразделяют на: - кабели на напряжение до 1 кВ; - кабели на напряжение 1..10 кВ; - кабели на напряжение 20..35 кВ; - кабели на напряжение 110..500 кВ. Силовые кабели состоят из следующих основных элементов: - токопроводящих жил, - изоляции - оболочек и защитных покровов. Помимо основных элементов в конструкцию силовых кабелей могут входить: - экраны (основной способ борьбы с электромагнитными помехами) - нулевые жилы - жилы защитного заземления - заполнители. 51 Кабели низкого и среднего напряжения В группу низкого напряжения включены кабели, предназначенные для работы в электрических сетях с изолированной нейтралью переменного напряжения 1, 3, 6, 10, 20 и 35 кВ частотой 50 Гц. Эти же кабели могут быть использованы с заземленной нейтралью и в сетях постоянного тока. Такие кабели выпускаются с бумажной пропитанной, пластмассовой и резиновой изоляцией, причем наиболее перспективным видом изоляции является пластмассовая. Кабели НН изготавливаются в основном в 4- жильном исполнении (3 фазных проводника и один нулевой проводник для соединения с заземленной нейтралью), однако сейчас всѐ чаще используют пятипроводную сеть (3 фазы, нулевой проводник и защитное заземление от пробоя на корпус оборудования). Форма токопроводящих жил чаще всего секторная, так как она позволяет получить компактную и соответственно экономичную конструкцию кабеля. Материал жил – медь и алюминий. В качестве электрической изоляции кабелей СН применяется бумажная пропитанная и пластмассовая изоляция из сшитого полиэтилена. Виды изоляции Бумажная изоляция кабеля имеет следующие достоинства: хорошие электрические свойства, низкую цену. Недостатки: высокая гигроскопичность бумаги, требующая хорошую герметичность кабельных оболочек и соединительных муфт, трудности в эксплуатации (большой радиус изгиба). Силовые кабели с пропитанной бумажной изоляцией (с вязкой пропиткой) имеют значительные ограничения по номинальному напряжению из-за интенсивных ионизационных процессов при переменном напряжении, и 52 поэтому применяются в распределительных сетях России при напряжениях до 35 кВ включительно (за рубежом при напряжениях до 60 кВ). Силовые кабели с резиновой изоляцией предназначены в основном для неподвижной прокладки с малыми радиусами изгиба в сетях переменного напряжения 660В или постоянного напряжения 1,3,6 и 10 кВ. В настоящее время многие страны практически полностью перешли на использование силовых кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) и имеют положительный опыт эксплуатации. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена Обладают очень хорошими электрическими, механическими и теплофизическими свойствами. Отличиями в конструкции кабелей с СПЭ-изоляцией по сравнению с БПИ являются замена материала изоляции и отсутствие тяжелых металлических оболочек (свинцовые или алюминиевые), которые служили для герметизации конструкции и должны были выдерживать перепады давления, вызываемые тепловым расширением пропиточного состава. Важным преимуществом является отсутствие жидких компонентов в конструкции кабелей, что не накладывает дополнительных требований по перепаду высот вдоль трассы их прокладки. Общие преимущества: - более высокая надѐжность в эксплуатации; - меньшие расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий; - низкие диэлектрические потери (коэффициент диэлектрических потерь 0,001 вместо 0,008); - высокая стойкость к повреждениям; - большая пропускная способность за счѐт увеличения допустимой температуры нагрева жил: длительной (90°С вместо 70 °С), при перегрузке (130 °С вместо 90 °С); - более высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании (250 °С вместо 200 °С); - низкая допустимая температура при прокладке без предварительного подогрева (-20 °С вместо 0 °С); - низкое влагопоглощение; - меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что облегчает прокладку на сложных трассах; - возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней; - более экологичный монтаж и эксплуатация (отсутствие свинца, масла, битума). Недостатки СПЭ-изоляции: 1. Отсутствие «эффекта самозалечивания» СПЭ- изоляции. 2. Полиэтилен, даже «сшитых» образцов, плохо переносит длительное воздействие ультрафиолетового излучения, поэтому его использование на открытых для солнечного света местах нежелательно, 53 3. На PEX-материалы оказывает разрушающее воздействие проникающий в их структуру свободный кислород воздуха, в связи с чем изделия нуждаются в специальном защитном покрытии. 4. СПЭ более чувствителен к воздействию высокочастотных перенапряжений. 54 Кабели высокого напряжения В группу кабелей высокого напряжения включены кабели, предназначенные для работы в сетях переменного напряжения 110, 220, 330, 380, 500, 750 кВ и выше, а также кабели постоянного напряжения от +100 до +400 кВ и выше. В основном изготовляются с пропитанной маслом бумажной изоляцией - это маслонаполненные кабели низкого и высокого давления. Высокая электрическая прочность изоляции этих кабелей обеспечивается избыточным давлением масла в них (от 1 до 15 am). Для напряжений до 275 кв применяются также силовые кабели с наполнением газом (азотом) под давлением 15 am (газонаполненный кабель). Маслонаполненные кабели Достаточно широко применяются в России и за рубежом на территории крупнейших городов. В маслонаполненных кабелях применяется бумажная масляная изоляция под давлением. Такая изоляция обладает значительно большей электрической прочностью и надежностью, чем бумажная изоляция с вязкой пропиткой. В кабелях низкого и среднего давления жила покрывается бумажной изоляцией, свинцовой или алюминиевой оболочкой, поверх оболочки выполняется асфальтированное покрытие для подземной прокладки.. Жилы затягивают в стальную трубу, которую заполняют маслом под избыточным давлением. Стальные трубы прокладывают в земле или в тоннелях. Особенностью маслонаполненных кабелей является необходимость эксплуатации маслосистем, а в отдельных случаях и систем охлаждения. Кроме того, необходима установка специальных баков питания и давления по концам и по трассе кабеля для поддержания давления в масле. 55 Газонаполненные кабели Непосредственно в кабель подводится чистый сухой газ под давлением. Значение давления определяется особенностями конструкции кабеля и условиями прокладки и находится в пределах 0,7-3,0 МПа. В зависимости от конструкции кабеля сжатый газ может либо поступать непосредственно в изоляцию кабеля (зазоры между лентами, пространство между проволоками внутри жилы), либо не иметь непосредственного соприкосновения с изоляцией, а передавать давление на изоляцию через специальную мембрану. Для заполнения газонаполненных кабелей применяется осушенный, очищенный от примесей азот или его смеси с элегазом (элегаз –10%, азот – 90%). Существуют разработки кабельных линий с газовой изоляцией, криорезистивные кабельные линии с алюминиевыми жилами, охлаждаемыми жидким азотом, сверхпроводящие кабельные линии. Способы прокладки силовых кабелей 1. В траншеях Прокладываются кабели до 220 кВ. Достоинства: простота, хорошие условия охлаждения. Недостатки: неэкономичность, невозможность прокладки более 5-6 кабелей в одой траншее, значительная механическая повреждаемость. Глубина заложения должна быть не менее: для кабельных линий: - до 20 кВ – 0,7 м; 56 - 35 кВ – 1 м; - 110-220 кВ – 1,5 м. Прокладку в траншее не рекомендуется применять: - на участках с большим количеством кабелей; - при большой насыщенности территории подземными и наземными технологическими и транспортными коммуникациями; - в почвах, содержащих большое количество веществ, разрушающе действующих на оболочки кабелей. 2. В кабельных каналах Кабельным каналом называется закрытое непроходное сооружение, предназначенное для прокладки кабелей, ремонт и осмотр которых возможно производить лишь при снятии перекрытий. В траншее укладывается несколько труб (каналов), через 25-75 м сооружаются кабельные колодцы. Каналы изготавливают из сборных железобетонных элементов. В каналах максимальных размеров можно проложить до 30 силовых кабелей. Достоинства: защита кабелей от механических повреждений. Недостаток: дороговизна. 3. В тоннелях 57 Тоннель – закрытое сооружение (коридор) с расположенными в нем опорными конструкциями для размещения на них кабелей и кабельных муфт со свободным проходом по всей длине. Применяется на территориях, насыщенных подземными коммуникациями (прокладка более 20 кабелей в одном направлении). Размеры кабельных тоннелей: высота – 1,8-2,1 м; ширина – 1,5-1,9 м; расстояние между двумя выходами туннеля – около 200 м. Кабели укладывают на металлических опорных конструкциях, укрепленных на стенках тоннеля. Ширина прохода в тоннеле порядка 1 м. 4. В блоках Блок – кабельное сооружение с трубами для прокладки в них кабелей до 35 кВ в усиленной свинцовой оболочке при пересечении с проезжей частью улиц, в местах пересечений с ж/д путями и проездами. Достоинство: высокая надежность, недостаток — значительный расход цветного металла. 5. По кабельным эстакадам Кабельная эстакада – это подземное или наземное открытое горизонтальное или наклонное протяженное кабельное сооружение. Являются альтернативой туннелям и блокам на химических и нефтехимических предприятиях. 58 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ВВЕДЕНИЕ При проектировании конструктивной части ВЛ рассчитываются по условиям механической прочности провода и грозозащитные тросы. 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 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 построения монтажных зависимостей стрел провеса от длины пролета и климатических условий. 5 НАГРУЗКИ НА ПРОВОДА И ТРОСЫ Провода и тросы подвержены постоянным и периодическим нагрузкам по вертикальной и горизонтальной оси. 5.1 ВЕРТИКАЛЬНЫЕ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ НАГРУЗКИ Выделяют вертикальные нагрузки от собственного веса провода и веса гололеда. 5.1.1 Вертикальная нагрузка от собственного веса провода Данная нагрузка действует на провода и тросы постоянно и является статической, равномерно распределенной по длине провода. 5.1.2 Вертикальная нагрузка от веса гололеда Под действием ветра, направленного поперек линии, в начальной стадии образования гололеда происходит односторонне налипание осадков. Силой тяжести этих осадков в средней части пролета провод скручивается, и налипание продолжается на других его сторонах. В результате почти со всех сторон большая часть провода покрывается гололедными образованиями разной толщины и плотности. 59 Толщина корки может достигать нескольких сантиметров. Нагрузка от веса гололеда нарастает постепенно в процессе гололедообразования, затем в течение некоторого времени остается на проводе и постепенно уменьшается при потеплении. Время действия данной нагрузки может быть существенным, поэтому ее считают основной при расчете проводов. Характеристика вертикальной нагрузки от веса гололеда: 1. В практических расчетах нагрузку от гололеда считают статической. Динамические усилия могут возникнуть при сбросе гололеда при сильном ветре или при обрыве провода в смежном пролете (при обычных расчетах это не учитывается). 2. Нагрузка от гололеда считается равномерно распределенной по длине провода. Неравномерность распределения гололеда по проводу не учитывается, поскольку это является сложной задачей. 5.1.3 Горизонтальная нагрузка от ветра Характеристика горизонтальной нагрузки от ветра: 1. Ветровая нагрузка на провода считается статической, то есть нарастающей и убывающей постепенно. Конечно, по природе ветровая нагрузка является динамической, но импульсное действие ветра на провода не учитывается. 2. Ветровая нагрузка считается равномерно распределенной по длине провода, так как неравномерность скоростного напора ветра по длине пролета учитывается коэффициентом неравномерности. 5.2 ЕДИНИЧНЫЕ И УДЕЛЬНЫЕ НАГРУЗКИ Все виды нагрузок на провода можно считать статическими и равномерно распределенными. Равномерно распределенная нагрузка, отнесенная к 1 метру длины провода, называется единичной нагрузкой - Р (даН/м). При расчетах на механическую прочность в качестве исходных данных используются удельные механические нагрузки на провода. Под удельной нагрузкой понимают равномерно распределенную вдоль пролета провода механическую нагрузку, отнесенную к единице длины и поперечного сечения. Как правило, удельная нагрузка выражается в ньютонах и относится к проводу длиной 1 м и сечением 1 мм2 - γ (даН/ м*мм2). 60 5.2.1 Удельная нагрузка от собственного веса провода Удельная нагрузка от собственного веса провода определяется по формуле: где G0 – масса провода, кг/м; F – расчетное или действительное сечение провода, м2; 9,81 м/с2 – ускорение силы тяжести. Удельные нагрузки от собственного веса алюминиевых, стальных и сталеалюминиевых проводов приводятся в ПУЭ и НЕ ПОДЛЕЖАТ РАСЧЕТУ. 5.2.2 Удельная нагрузка от гололеда При определении нагрузки от веса гололеда все виды обледенения приводят к чистому гололеду цилиндрической формы с плотностью g0 = 900 кг/м3. Считают, что стенка гололеда вокруг провода диаметром d имеют повсюду одинаковую толщину bг. Удельная нагрузка от веса гололеда определяется исходя из цилиндрической формы гололедных отложений: γ2 = П* g0* bг*( bг + d) / F 61 5.2.3 Удельная нагрузка от собственного веса провода и веса гололеда Обе нагрузки, действующие вертикально, складываются арифметически. Удельная результирующая нагрузка: 5.2.4 Удельная нагрузка от давления ветра на провод без гололеда Удельная нагрузка от ветра в этом случае определяется по выражению: При расчетах ВЛ, не проходящих в горной местности, направление нагрузки от давления ветра на провод принимается горизонтальным и перпендикулярным к трассе линии. 5.2.5 Удельная нагрузка от давления ветра на провод с гололедом Удельная нагрузка определяется по выражению: 62 5.2.6 Результирующая удельная нагрузка от веса провода и давления ветра на провод без гололеда Равна геометрической сумме действующих на провод вертикальной и горизонтальной нагрузок. Удельная нагрузка определяется по выражению: 5.2.7 Результирующая удельная нагрузка от давления ветра, веса провода и гололеда Удельная нагрузка: 63 5.2.8 Выводы В зависимости от расчетных климатических условий любая из двух результирующих нагрузок может оказаться наибольшей по абсолютной величине. При проектировании ВЛ не ставится задача обеспечения их надежной работы при любых климатических условиях. Расчетные нагрузки определяют, исходя из наихудших сочетаний климатических условий, наблюдаемых не реже 1 раза: - в последние 15 лет для В Л 500 кВ, - 10 лет — для ВЛ 110—330 кВ; - 5 лет —для В Л 35 кВ и ниже. Это значит, что ВЛ 110—330 кВ проектируют и сооружают так, что они могут повреждаться при очень редких условиях, повторяющихся в период больше 10 лет (например, при ураганных ветрах). Народнохозяйственный ущерб при таких редких авариях меньше дополнительных затрат, которые потребовались бы для сооружения ВЛ, рассчитанных на надежную работу в этих исключительных условиях. 5.2.9 Примеры расчетов Задача: Определить удельные нагрузки сталеалюминиевого провода АС-150 для воздушной линии 110 кВ, 2-го района по ветру и 4-го района по гололеду. Исходные данные: Общее сечение провода – 173,2 мм2 Диаметр провода – 17,1 мм Удельная нагрузка от собственного веса – 3,46*10-3 даН/м*мм2 Решение: 1. Удельная нагрузка от собственного веса: γ1 = 3,46*10-3 даН/м*мм2 2. Удельная нагрузка от веса гололеда: γ2 = П* g0* bг*( bг + d) / F, bг - нормативное значение стенки гололеда, мм, (для 4-го района по гололеду bг =20 мм) γ2 = 3,14* 0,9*10-3* 20*( 20 + 17,1) / 173,2 = 12,1*10-3 даН/м*мм2 3. Удельная нагрузка от веса провода с гололедом: γ 3 =3,46 + 12,1 = 15,56*10-3 даН/м*мм2 4. Удельная нагрузка от ветра без гололеда: 64 qv = 65даН/м2 α = 1; kl = 1,05; Сх = 1,2 γ 4 =1*1,05*1,2*65*17.1*10-3/173,2 = 8*10-3 даН/м*мм2 5. Удельная нагрузка от ветра на провод с гололедом: γ 4 =1*1,05*1,2*65*(17.1+2*20)*10-3/173,2 = 27*10-3 даН/м*мм2 6. Удельная нагрузка от ветра и веса провода без гололеда: γ 6 =8,7*10-3 даН/м*мм2 7. Удельная нагрузка от ветра и веса провода с гололедом: γ 7 =30*10-3 даН/м*мм2 Используемые в расчетах данные 65 5.3 ДОПУСТИМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПРОВОДЕ 5.3.1 Общие положения Растягивающее усилие в проводе изменяется в зависимости от нагрузок и температуры. Чем выше нагрузки и чем ниже температура, тем больше растягивающие усилия. При увеличении нагрузки и при снижении температуры напряжение в проводе не должно превышать допустимого напряжения. Допустимое напряжение определяется пределом прочности провода. Предел прочности при растяжении – это наибольшее напряжение растяжения, которое провод выдерживает, не разрушаясь. Допустимое напряжение принимается значительно меньше, чем предел прочности провода при растяжении, то есть: д ≤ , где д ― допустимое напряжение в проводе; в ― предел прочности провода; n ― коэффициент запаса прочности. При расчете ВЛ проверяется наибольшее напряжение провода, которое должно быть не больше, чем допустимое напряжение при наибольшей нагрузке или наименьшей температуре. Кроме наибольшего напряжения рассчитывается напряжение в проводе при среднегодовых условиях. 5.3.2 Особенности расчета в зависимости от конструкции проводов Предел прочности однопроволочного провода принимается равным временному сопротивлению его материала, величина которого указывается в соответствующих ГОСТах. В многопроволочных проводах прочность провода в целом всегда меньше суммы прочностей отдельных проволок. Расчет механической прочности сталеалюминиевых (или других комбинированных) проводов проводят по тем же формулам, что и провода из одного металла, но при этом используют фиктивные напряжения, модуль упругости и коэффициент температурного расширения, которые относятся ко всему проводу в целом. При отсутствии опытных или нормативных данных, фиктивное временное сопротивление (предел прочности) сталеалюминевого провода может быть вычислено приближенно: ϬСТ ―напряжение в стальном сердечнике при относительном удлинении провода, соответствующем обрыву алюминиевых проволок (в среднем 66 можно считать: ϬСТ=0,85 ϬВСТ , где ϬВСТ ― предел прочности для стандартных стальных проводов). В ПУЭ приводятся допускаемые фиктивные напряжения для стандартных сталеалюминевых проводов при наибольшей нагрузке и минимальной температуре. Ограничение максимального напряжения является необходимым и достаточным условием прочности провода при статическом натяжении, вызванном понижением температуры или увеличением дополнительной нагрузки от гололеда и ветра (35-50% от в). Однако, это условие может оказаться недостаточным в случае возникновения в проводе переменных динамических усилий (вибрация). Поэтому в ПУЭ ограничивают среднеэксплуатационные напряжения (при среднегодовой температуре без дополнительных нагрузок) еще более жесткими условиями (25-30% от в). 67 6 НАТЯЖЕНИЕ И СТРЕЛЫ ПРОВЕСА ПРОВОДА 6.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Рассмотрим провод в пролете воздушной линии, концы которого прикреплены к расположенным на одинаковой высоте двум неподвижным шарнирным опорным точкам А и В. А и В – точки подвеса провода. О – низшая точка кривой провисания. f – стрела провеса, то есть расстояние по вертикали в середине пролета между проводом и прямой, соединяющей точки подвеса. Т – тяжение провода, то есть осевое растягивающее усилие, действующее в любой точке провода. Н – тяжение провода в нижней точки. l – расстояние по горизонтали между точками подвеса (пролет) Шарнирные соединения в точках А и В обеспечивают свободный поворот провода относительно оси АВ, а также поворот его концов относительно осей, проходящих через точки А и В. Шарнирность обеспечивается конструкцией подвески проводов и тросов в гирляндах и тросовых подвесках. Провод в пролете, подвешенный в двух точках А и В, можно рассматривать как идеальную гибкую нить или цепную линию. Представление провода в виде гибкой нити соответствует трем допущениям: 1) Провод обладает идеальной гибкостью, то есть не растягивается. 2) Вес провода равномерно распределен по его длине. 3) На провод в любой точке с координатами (х, у) действует сила тяжения Тху, направленная по касательной к кривой провисания провода. 68 Эти условия положены в основу всех дальнейших расчетов независимо от того, является ли равномерно распределенная нагрузка вертикальной (от собственного веса и гололеда) или комбинированной (весовой и ветровой). Кривую провисания провода будем рассматривать в прямоугольной системе координат. Ось ординат направим вертикально - в соответствии с действием нагрузки. Ось абсцисс – вдоль или параллельно касательной к кривой провисания в низшей точке О. Начало координат примем в точке максимума кривизны О. 6.2 ПЕРВОЕ УРАВНЕНИЕ КРИВОЙ ПРОВИСАНИЯ ПРОВОДА В расчетах будут участвовать следующие величины: Т - тяжение провода, то есть осевое растягивающее усилие, действующее в любой точке провода.  - напряжение, то есть сила, действующая на единицу сечения провода. Напряжение обусловлено растягивающим усилием и направлено по касательной к кривой провисания в любой точке. р – единичная нагрузка. γ – удельная нагрузка. Растягивающее усилие, возникающее в проводе, передается на опорные точки, вызывая с их стороны силы, которые равны и противоположно направлены к тяжению провода (по касательной к кривой провисания в точках подвеса). Тяжение провода в точках подвеса: Тяжение провода в точках подвеса является наибольшей силой по отношению к гирляндам изоляторов и опорам. Эту силу можно разложить на составляющие по осям x и y. Для определения кривой провисания провода и стрелы провеса используются основные уравнения статики для системы, находящейся в равновесии, которые заключаются в следующем. Суммы проекций всех сил на ось х и на ось y равны нулю: 69 Сумма моментов всех внешних сил или их проекций относительно любой точки равны нулю: Также с учетом гибкости провода дополнительным условием является то, что в любом сечении провода изгибающий момент от внешних сил, расположенных по одну сторону от сечения, равен нулю. Для составления уравнения кривой провисания провода принимаем систему координат с началом в низшей точке провисания. Далее используем метод сечений, то есть разрежем провод в точке О и произвольной точке D с координатами x и y; заменим воздействие отрезанных участков провода соответствующими тяжениями Н и Т. Для сохранения равновесия отрезка OD к его концам должны быть приложены силы Н и Т, при этом Н = Т∙cosα. Вес рассматриваемого отрезка провода будем считать равномерно распределенным по длине пролета, то есть горизонтально и заменим сосредоточенной силой p∙x, приложенной в середине участка (на расстоянии х/2 от начала координат). Уравнение моментов сил относительно точки D будут выглядеть следующим образом (величина силы умножается на плечо): Преобразуем выражение и получаем: 70 Выразив у получаем уравнение кривой провисания провода – параболы с вершиной в начале координат. В выражении фигурирует тяжение провода в низшей точки. В расчетах удобнее пользоваться не тяжением, а напряжением и удельной нагрузкой. Подставим в уравнение формулы связи: p = ∙F и H = σ∙F, тогда получим: Это уравнение называют первым уравнением кривой провисания провода. 71 6.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРЕЛЫ ПРОВЕСА Представляет интерес определение стрелы провеса при одинаковой и при разной высоте точек подвеса. 6.3.1 Определение стрелы провеса при одинаковой высоте точек подвеса В данном случае кривая провисания провода симметрична относительно оси ординат. Координаты низшей точки О относительно точек подвеса будут (l/2; f). Подставив эти значения в уравнение кривой провисания, получим: Из этого выражения можно получить уравнение кривой провисания провода, выраженное только через геометрические параметры. То есть уравнение кривой провисания провода: 72 6.3.2 Определение стрелы провеса при разной высоте точек подвеса В этом случае кривая провисания провода будет несимметрична. Наиболее низкая точка провисания будет находиться не в центра, а ближе к точке низшего подвеса. На рисунке приведены следующие обозначения: О – центр координат; а и b – расстояние до наиболее низкой точки от точек подвеса А и В; С - координаты провода в середине пролета ( ус, ус ); - разность высот точек подвеса; Три стрелы провеса: fc – стрела провеса в середине пролета; fa и fB - стрелы провеса в наиболее низкой точки относительно точек подвеса А и В. Координаты точки О относительно точек подвеса будут (a, fa) и (b, fB). Подставляя абсциссы a и b, получим из уравнения кривой провеса значение ординат fa и fB: 73 Исходя из рисунка: Подставляя в формулу, получим: Решив это уравнение относительно а, получим: То есть положение точки О зависит: 1) Постоянной для пролета величины разности отметок точек подвеса 2) От переменных величин: от напряжения в проводе η (Эта величина должна обозначаться σ); от удельной нагрузки ( ). 6.3.3 Определение стрелы провеса, если низшая точка кривой совпадает с низщей точкой подвеса Например, если точка О совпадает с низшей точкой подвеса А, тогда а=0 b=l 6.3.4 Определение стрелы провеса, если низшая точка кривой провисания находится за пределами пролета В этом случае (который встречается достаточно часто) провод не имеет низшей точки кривой провисания. Такая точка находится на продолжении кривой за пределами пролета, то есть является фиктивной. 74 Из рисунка следует: Подставляя в формулу значение ординат fa и fB получим: Решая это уравнения относительно а и затем определяя b, получаем: Если подставить получившиеся формулы для а и b в уравнение стрелы провеса в наиболее низкой точке О относительно точек подвеса, то получим общую формулу для определения ординат точек подвеса: Знак «+» - для верхней точки подвеса. Знак «-« - для нижней точки подвеса. Или 75 где угол θ характеризует разность уровней подвеса (см. рисунок). Аналогично можно выразить ординату точки b: 76 Стрела провеса на любом расстоянии от опоры 77 Расчет переходов ДЛЯ ВЛ ВЫШЕ 1 кВ Прохождение ВЛ по населенной местности Наименьшие расстояния от проводов ВЛ до поверхности Земли в населенной местности в нормальном режиме работы ВЛ Должны приниматься не менее приведенных в табл. 78 Наименьшие расстояния определяются при наибольшей стреле провеса провода без учета его нагрева электрическим током: - для ВЛ 220 кВ и ниже при высшей температуре воздуха. Прохождение ВЛ над зданиями и сооружениями, как правило, не допускается. Допускается прохождение ВЛ над производственными зданиями и сооружениями промышленных предприятий I и II степени огнестойкости. Металлические кровли, над которыми проходят ВЛ, должны быть заземлены. Пересечение и сближение ВЛ между собой Место пересечения должно выбираться возможно ближе к опоре верхней (пересекающей) ВЛ (ВЛЗ). Провода ВЛ более высокого напряжения, как правило, должны быть расположены выше проводов пересекаемых ВЛ более низкого напряжения. Прохождение ВЛ более низкого напряжения над проводами двухцепных ВЛ более высокого напряжения не допускается. Наименьшие расстояния между ближайшими проводами пересекающихся ВЛ должны приниматься не менее приведенных в табл. 2.5.24 ПУЭ при температуре воздуха плюс 15 °С без ветра. Пересечение и сближение ВЛ с железными дорогами Пересечение ВЛ с железными дорогами следует выполнять, как правило, воздушными переходами. На железных дорогах с особо интенсивным движением и в некоторых технически обоснованных случаях (например, при переходе через насыпи, на железнодорожных станциях или в местах, где устройство воздушных переходов технически затруднено) переходы ВЛ следует выполнять кабелем. Расстояния при пересечении и сближении ВЛ с железными дорогами от проводов до различных элементов железной дороги должны быть не менее приведенных в табл. 2.5.34 ПУЭ. Наименьшие расстояния по вертикали от проводов ВЛ до различных элементов железныхдорог, а также до наивысшего провода или несущего троса электрифицированных железных дорог определяются в нормальном режиме ВЛ при наибольшей стреле провеса провода (при высшей температуре воздуха с учетом дополнительного нагрева провода электрическим током или при расчетной линейной гололедной нагрузке по 79 2.5.55 ПУЭ). При отсутствии данных об электрических нагрузках ВЛ температура проводов принимается равной плюс 70 °С. Пересечение и сближение ВЛ с автомобильными дорогами Расстояния при пересечении и сближении ВЛ с автомобильными дорогами должны быть не менее приведенных в табл. 2.5.35 ПУЭ. Наименьшие расстояния по вертикали в нормальном режиме работы ВЛ от проводов до проезжей части дорог должны приниматься: - без учета нагрева провода электрическим током при высшей температуре воздуха для ВЛ 500 кВ и ниже. 80 6.3.5 Понятие эквивалентных пролетов При определении стрел провеса провода удобно использовать значения эквивалентных пролетов. Если провод подвешен на разных высотах, то в соответствии с уравнением кривой провисания кривая может быть достроена от нижней точки подвеса до уровня отметки высшей точки подвеса. В результате получим кривую провисания В'ОВ с точками подвеса на одинаковой высоте и симметричными ветвями ОВ и ОВ' относительно точки О. Расстояние lЭ между точками В' и В называется большим эквивалентным пролетом, а расстояние lэ' между точками А' и А – малым эквивалентным пролетом. Из приведенного выше рисунка следует, что Или: При положении наиболее низкой точки за пределами пролета в формуле для lЭ знаки меняются на обратные. 81 6.4 ВЫПОЛНЕНИЕ ПОСТРОЕНИЙ 6.4.1 Построение кривой провисания провода Кривую провисания провода можно построить 2-мя способами: 1) Аналитически – вычисляя ординаты параболы для значений х. 2) Графически. По горизонтали откладывается пролет АВ. По вертикали откладывается значение f – стрелы провеса. Определяется положение точки О – середина пролета и стрелы провеса. Отрезки ОЕ и ЕВ делятся на одинаковое число частей и из точки О на деления отрезка ЕВ (1', 2', 3' и т.д.) проводятся лучи. Пересечения вертикалей из точек делений отрезка ОЕ (1, 2, 3 и т.д.) с лучами дадут параболу. Левая часть рисунка (левая ветвь) будет симметрична полученной параболы. 6.4.2 Построение касательных к кривой провисания При одинаковой высоте точек подвеса А и В. 82 Достаточно отложить из точки вертикально вниз отрезок ОМ, равный стреле провеса f, и соединить точку М с точками подвеса А и В. АМ и ВМ – касательные к кривой провисания в точках подвеса. При разной высоте точек подвеса А и В. От точки С (в середине пролета) откладывают вниз стрелу провеса fc и соединяют получившуюся точку М с точками А и В. АМ и ВМ – касательные к кривой провисания в точках подвеса. Углы наклона касательных к кривой провисания провода определяются из совместного решения уравнений статики для отрезка провода: Решая систему, получим: 83 6.8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОВОДА Длина провода на любом участке в пределах от X1 до X2 может быть определена как интеграл: Представим функцию y=f(x) в виде первого уравнения кривой провисания, тогда: Следовательно: Если точки подвеса находятся на одинаковой высоте: Длина одной ветви параболы от вершины x1=0 (точки наинизшего провеса) для точки подвеса с координатой x2=l/2 Длина всего провода в пролете l: Или Если точки подвеса находятся на разной высоте: (x1=0, x2=a) (x1=0, x2=b) Подставляя значения, получим: 84 Длина провода Таким образом, длина провода в пролете при разной высоте подвеса: То есть увеличивается на величину разности высот точек подвеса. ( по мере увеличения Выражая длину провода через геометрические параметры: 85 86 6.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕНИЙ В ТОЧКАХ ПОДВЕСА Растягивающее усилие, возникающее в проводе (тяжение провода), передается на опорные точки, вызывая с их стороны силы (реактивные), равные и противоположно направленные к тяжению. По отношению к проводу данные силы являются внешними. Величины тяжения в точках подвеса определяются по величинам реактивных сил, которые можно найти из уравнений статики. 6.5.1 При одинаковой высоте точек подвеса В точках подвеса А и В возникшие реактивные силы будут одинаковыми: RA=RB. Рассмотрим составляющие реактивных сил. Горизонтальные составляющие сил: HA=HB=H (данное соотношение было получено ранее). Вертикальные составляющие сил: VA=VB=V=pl/2 (следует из условия равновесия отрезка провода). В общем случае: V=px. Таким образом, реактивные силы в опорных точках: 87 6.5.2 При разной высоте точек подвеса Уравнения статики будут выглядеть следующим образом: Из первого уравнения следует: HA=HB=H Из уравнений моментов следует: То есть: Если учесть, что И учесть, что 88 То окончательно получаем: Откуда следует, что каждая вертикальная составляющая реактивной силы равна весу провода (с гололедом или без него) на участке между опорой и наиболее низкой точкой подвеса. В низшей точке подвеса вертикальная составляющая может изменяться не только по величине, но и по направлению при изменении угла наклона АВ к горизонтали. Так при a=l (при совпадении наинизшей точки с точкой подвеса): VA=pl, VB=0. При (при переходе наинизшей точки за пределы пролета): VA=pa и VB= - pb, то есть VB меняет направление. Реактивные силы в опорных точках: (5.30) 89 6.6 ВТОРОЕ УРАВНЕНИЕ КРИВОЙ ПРОВИСАНИЯ ПРОВОДА Второе уравнение кривой провисания провода строится при начале координат в одной из точек подвеса. Оно удобно во многих случаях при определении стрелы провеса, особенно, когда точки подвеса находятся на разных высотах. Начало координат принимают в точке подвеса, а оси ориентируют горизонтально и вниз. Разложим на составляющие реактивные силы в опорных точках (опорные реакции): V – вертикальная составляющая; HC – наклонная вдоль линии АВ составляющая. Это позволит составить уравнения статики с одним неизвестным каждое. Составим уравнение моментов всех величин сил, приложенных слева от произвольного сечения провода в точке с координатами (х,у). Изгибающий момент в любом сечении провода, численно равный моменту всех внешних сил слева (справа) от сечения, должен быть равен нулю: В этом уравнении: ; – плечо; px – вес провода, – расстояние от точки с координатами (х,у) до линии приложения силы HC (линия AB). 90 Наклонная составляющая реактивной силы находится следующим образом: , То есть Стрела провеса провода может быть выражена: Это уже известная формула, общая для любого случая подвеса провода (как на одинаковой, так и на разных высотах). Из рисунка следует, что ордината ―y‖ равна: Подставляя значение из вышеприведенного уравнения, получим: Это выражение является вторым уравнением кривой провисания провода. В такой форме уравнение используется для определения расстояния по вертикали от провода до пересекаемых объектов, а также для определения расстояний между проводами (при ярусном расположении проводов) на удалении ―x‖ от опоры. При одинаковой высоте точек подвеса и формула упрощается. Уравнение кривой провисания в полученном виде позволяет не только определить координаты любой точки провода при заданном тяжении (или напряжении в наинизшей точке), но и решить обратную задачу, то есть определить напряжение в проводе при заданных координатах точки подвеса и любой точки в пролете (tgɵ задается координатами). 91 6.7 ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ВЕЛИЧИНАМИ НАПРЯЖЕНИЙ В НАИНИЗШЕЙ ТОЧКИ И ТОЧКАХ ПОДВЕСА Ранее было получено соотношение между тяжением провода в любой произвольной точке (в том числе в точке опоры) и низшей точке: , где V(x) – вертикальная составляющая, которая равна вертикальной опорной реактивной силе: где px – вес провода на длине x. Этой формулой можно пользоваться при условии, что нагрузка ―p‖ равномерно распределена по длине пролета. Такое упрощение допустимо для расчета весовых нагрузок на опоры. В расчетах на прочность самого провода эти формулы должны быть уточнены. Для уточнения расчета примем равномерное распределение нагрузки по длине хорды OD. Длина хорды OD находится по выражению: По уравнению параболы можно найти: Откуда 92 Тогда длину хорды можно найти, как Тяжение провода в любой произвольной точке будет определяться по выражению: Отсюда следует, что где Из выражений видно, что наибольшее напряжение в проводе возникает при наибольшем значении ординаты ―y‖, т.е. вблизи точек подвеса (при одинаковой высоте) или вблизи верхней точки подвеса (при разных высотах). То есть или При одинаковой высоте точек подвеса: При разной высоте точек подвеса: Соотношение между напряжениями в точках подвеса при их разной высоте получим следующим образом: Полученные уравнения позволяют также решить обратную задачу: определить напряжение в наинизшей точке по известным напряжениям в точках подвеса (одной из точек). 93 6.9 ИЗМЕНЕНИЕ ТЯЖЕНИЙ И СТРЕЛ ПРОВЕСА ПРОВОДА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ Напряжения и стрелы провеса изменяются в зависимости от температуры (t°) и нагрузки на провод. При повышении температуры материал провода расширяется, провод удлиняется, стрела провеса увеличивается, а напряжение в проводе снижается. При отложениях гололеда (при отсутствии ветра) увеличивается вес провода – вертикальная нагрузка и стрела провеса остается в вертикальной плоскости. Стрела провеса увеличивается, напряжение увеличивается. Чтобы определить изменение тяжений и стрел провеса провода при изменении атмосферных условий зависимость в виде уравнения – «уравнения состояния провода». УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ПРОВОДА Для вывода уравнения состояния провода рассмотрим однопролетный анкерованный участок, т.е. провод в пролете с неподвижными точками подвеса, расположенными на одной высоте. При выводе уравнения считаем, что провод работает как идеальная гибкая нить с постоянным значением модуля упругости. Начальное состояние провода при определенной температуре и нагрузке определяется начальными значениями напряжений и длины. Требуется найти напряжение в проводе при новых значениях температуры и нагрузки, т.е. в новом, конечном состоянии. Примем следующие обозначения: В начальном состоянии – –длина провода – температура - удельная нагрузка - напряжение в наинизшей точке – стрела провеса в середине пролета В новом состоянии те же величины обозначим без индекса, т.е. L, t, , , f. Длина провода в начальном состоянии: В конечном состоянии: Удлинение провода: Или (подставляя значение ). 94 Тогда вторая формула: Эту разность можно выразить через упругое удлинение, вызванное изменением нагрузки и температурным удлинением. Модуль Юнга - физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации (Па). Т.е. упругое удлинение при изменении нагрузки на ( ): Температурное удлинение при изменении температуры на ( ): Где, - температурный коэффициент линейного удлинения. При одновременном изменении нагрузки и температуры: Длина провода и длина пролета в практических расчетах можно считать равными, т.е. Приравнивая значения и : Умножив на «E» сократив на « » обе части уравнения, получим: Данное уравнение называется «Уравнением состояния провода» В данном уравнении присутствуют только знаки «-». Следует помнить, что температура «t» соответствует конечному состоянию, а «t0» начальному. При подстановке отрицательной температуры необходимо соблюдать правило знаков. 95 Пример расчета (на основе http://www.linecross.ru/log.htm) Расчет по уравнению состояния провода можно проводить и для монометаллических и комбинированных проводов. Для комбинированных проводов в расчетное уравнение подставляются величины, характеризующие провод в целом. Имея уравнение состояния провода, зная напряжения при «m»-ных условиях, мы можем найти напряжения в материале провода при любых атмосферных условиях. Отправной точкой могут являться допускаемые напряжения. При любых условиях напряжения в материале провода не должно быть больше допускаемой величины. Пример расчета Сталеалюминиевый провод АС120/19 подвешен в пролете 300 м с напряжением 13.0 даН/мм2 при температуре -5оС, толщине стенки гололеда 10 мм и скоростном напоре 12,5 даН/м2. Требуется определить стрелу провеса провода при температуре +40оС. Модуль упругости провода 8,25*103 и температурный коэффициент линейного удлинения 19,2*10-6. 96 97 ПОНЯТИЕ КРИТИЧЕСКИХ ПРОЛЕТОВ Провод в пролѐте должен быть смонтирован так, чтобы ни в одном из режимов его работы напряжение в нем не превзошло допускаемого значения, а в наиболее тяжелом режиме оно должно быть равно допускаемому напряжению. Только при выполнении этого требования будут полностью использованы прочностные характеристики провода Для проводов воздушных линий электропередачи в качестве расчетных принимают три вида режимов: Режим 1 - режим минимальных (наинизших) температур. Ветер и гололед отсутствуют, то есть γ = γ1. Режим 2 - режим наибольших нагрузок γнб. В качестве режима наибольших нагрузок может рассматриваться режим наибольшего скоростного напора для провода с гололѐдом γнб = γ6, либо режим гололеда γнб = γ7. Температура в любом случае равна температуре гололедообразования. Режим 3 - среднеэксплуатационный режим (режим среднегодовых температур). Ветер и гололед отсутствуют, то есть γ = γ1. Вопрос о том, который из трех режимов должен быть принят в качестве исходного состояния при заданном допускаемом напряжении, решается в зависимости от ряда факторов: - длины пролѐта; - температуры; - нагрузки на провод; - величины допускаемого напряжения. Рассмотрим, как изменится состояние провода при уменьшении и увеличении пролета. Когда пролет уменьшается, стремясь к нулю, то к нулю стремятся все члены уравнения состояния провода, которые содержат . В этом случае уравнение состояния провода имеет вид: Т.е, чем меньше величина пролета, тем меньше оказывается влияние нагрузки, и напряжение главным образом зависит от температуры расчетного режима. В зависимости от температуры напряжение может получиться больше или меньше . При увеличении пролета получается иная картина. Разделим все члены уравнения на . При увеличении все члены с получим уравнение: в знаменателе уменьшаться и в пределе Или в следующем виде: 98 В зависимости от нагрузки « » напряжение может быть больше или меньше заданного значения исходного « ». Т.е. при больших пролетах напряжение в основном зависит от нагрузки. ( при наибольших нагрузках). Из этих примеров следует, что должна быть такая граничная величина пролета, при которой влияние температуры и нагрузки на напряжение будет одинаковым. То есть существует некоторый критический пролѐт, в котором значения напряжений при наинизшей температуре и наибольшей нагрузке равны между собой. Такой пролет называют критическим. В расчетах проводов его называют вторым критическим пролетом . В практических расчетах помимо второго критического пролѐта требуется вычислить пролѐты для сочетания режимов 1 и 3, что даст первый критический пролѐт l1k (в котором напряжение в проводе может достигать допускаемые значения как при низшей температуре, так и при среднегодовой температуре), и для режимов 2 и 3, что даст третий критический пролѐт l3k (Если напряжения в проводе достигают допустимых значений при среднегодовой температуре и при наибольшей нагрузке). Расчетные выражения, справедливые для любых проводов, получают, подставляя в уравнение состояния провода соответствующие режимам пары допускаемых напряжений и решая это уравнение относительно длины пролѐта. 99 При выборе критических пролетов для дальнейших расчетов необходимо рассуждать следующим образом : Пример расчета критических пролетов 100 101 102 103 РАССТАНОВКА ОПОР ПО ПРОФИЛЮ ТРАССЫ Общие сведения Одним из первых этапов проектирования ЛЭП является выбор оптимальной трассы, составление продольного профиля трассы, расстановка опор по профилю трассы. При этом уточняются также климатические и геологические условия трассы для выбора типов фундаментов опор или закреплений опор в грунте. Продольный профиль, составляемый на основании результатов топографических сьемок и измерений, представляет собой очертание вертикального разреза вдоль трассы. На продольном профиле обозначают пересекаемые инженерные сооружения, водные препятствия. На чертеж профиля наносят также геологический разрез с указанием глубины залегания грунтов, а также грунтовых вод. При расстановке опор по профилю трассы должны быть учтены два основных условия: 1) расстояние от проводов до земли и пересекаемых сооружений должно быть не менее требуемых ПУЭ; 2) нагрузка, воспринимаемая опорами, не должна превышать значений, допускаемых в расчетах опор соответствующих типов. При расстановке опор следует избегать их размещения на участках, требующих выполнение сложных, дорогих фундаментов (болотистые, обводненные, скалистые и т.п.). В паспортах типовых опор приводятся три значения пролетов: Габаритный пролет. При расстановке опор на идеально ровной местности наибольшая возможная длина пролета может быть определена в зависимости от максимальной стрелы провеса f, которую можно допустить при заданной высоте подвеса провода на опоре H и минимальном габарите провода до земли Г, требуемом ПУЭ для ЛЭП данного напряжения. Этот пролет, определяемый из условия допускаемого габарита до земли, называется габаритным пролетом lгаб. lгаб ≥ li 104 Ветровой пролет опоры данного типа обозначается lветр и соответствует значению, принятому в расчете этой опоры для определения давления ветра на провода. Ветровая нагрузка в пролете распределится на обе опоры поровну, поэтому фактическое давление ветра на опору соответствует полусумме пролетов по обе стороны от опоры. При расстановке опор необходимо соблюдать условие, чтобы фактическое значение ветрового пролета нигде не превышало принятого в расчете значения. Весовой пролет опоры данного типа обозначается lвес и соответствует значению, принятому в расчете опоры для определения весовых нагрузок от проводов и тросов. При установке опор с одинаковой высотой точек подвеса провода на идеально ровной местности его вес поровну распределяется на обе опоры. В этом случае lвес=lгаб. При различной высоте точек подвеса провода, его вес передается на соответствующие опоры, на участке от точки подвеса до низшей точки в пролете. Длина этого участка, равная полусумме соответствующих эквивалентных пролетов, не должна превышать принятого в расчете опоры значения: В проектах типовых опор обычно принимают Расстановка опор с помощью шаблона В обычных условиях неровного профиля расстановка опор производится с помощью шаблона. Для пояснения построения шаблона предположим, что задача расстановки опор уже решена, опоры №1 и №2 установлены с соблюдением требуемого габарита до земли: 105 Кривая 1 – кривая провисания провода. Кривая 2 – габаритная кривая. Сдвинута вниз от кривой 1 на расстояние, равное габариту. Если кривая 2 не пересекает профиль, а только касается его линии, то габарит выдержан. Кривая 3 – земляная кривая. Чтобы правильно накладывать шаблон без измерения высоты подвеса провода на опоре h0, достаточно провести кривую 3, сдвинутую вниз от кривой 1 на h0. Тогда она пройдет через основания опор. Таким образом, получают разбивочный шаблон: 106 Пример расстановки опор по профилю трассы с помощью шаблона Положение концевых опор трассы установлено заранее в зависимости от расположения подстанций. Положение угловых опор также определено. Оно совпадает с углами поворота ЛЭП. Поэтому расстановку опор начинают с концевой или угловой опоры и продолжают до следующего угла или до следующей анкерной опоры, положение которых может быть установлено заранее. 107