Чешев В.Ф. Основы расчета и проектирования механической части воздушных линий электропередачи

Подождите немного. Документ загружается.

В.Ф. Чешев

ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ

ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Учебное пособие

Часть 1

Новосибирск 2002

1. Общие сведения о воздушных линиях электропередачи

Воздушной линией электропередачи (ВЛ) называется устройство для пе-

редачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на от-

крытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опо-

рам или кронштейнам и стойкам на инженерных сооружениях.

Рис. 1. Основные элементы воздушной линии электропередач.

На рис. 1 показаны основные элементы ВЛ от электростанции 1 до потре-

бителя электроэнергии 7. По условиям нормальной эксплуатации опоры ВЛ

разделены на два основных типа — анкерные и промежуточные. Промежуточ-

ные опоры 4, предназначенные для поддержания провода в проектном положе-

нии, имеют подвесные изоляторы 5 и устанавливаются на прямых участках

трассы. Анкерные опоры 2 имеют более жесткую и прочную конструкцию и

должны воспринимать вертикальные и горизонтальные усилия, а также полное,

одностороннее тяжение уцелевших проводов и тросов при их обрыве в смеж-

ном пролете. Анкерные опоры, снабженные натяжными гирляндами изоляторов

3, ставятся при пересечении трассы с железными и автомобильными дорогами,

трамвайными и троллейбусными линиями, при прохождении по мостам и т. д.

При пересечении рек и водных пространств ставят специальные анкерные опо-

ры — опоры больших переходов 6

Расстояние между промежуточными опорами (а) Рис.1. называется про-

летом, а расстояние между анкерными опорами (б) Рис.1. – анкерованным уча-

стком.

Важнейшие элементы широкобазной промежуточной опоры изображены

на рис. 2. Ствол опоры 1, включающий в себя несущие пояса и решетку, опира-

ется на четыре пирамидообразные конструкции 8, называемые опорными сек

Рис. 2. Элементы стальной, широкобазной

промежуточной опоры

Дополнительными элементами, необходимыми на некоторых линиях

электропередач для обеспечения надежности их работы, являются заземления,

разрядники, виброгасители и др.

Напряжение ВЛ зависит в основном от передаваемой мощности и длины

трассы. В Российской Федерации приняты следующие стандартные напряже-

ния трехфазного тока свыше 10 кВ: 35,110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ.

В зависимости от класса потребителя электроэнергии и передаваемой

мощности ВЛ могут быть одно цепными и много цепными. На одну цепь трех-

фазного тока приходится три провода.

Воздушная линия электропередачи может находиться в трех режимах:

нормальном, аварийном, монтажном.

Нормальный режим - состояние воздушной линии при необорванных

проводах и тросах.

Аварийный режим – состояние ВЛ при оборванных одном или несколь-

ких проводах или тросах.

Монтажный режим - состояние в условиях монтажа опор, проводов и

тросов.

В данной работе рассматривается только нормальный режим с учетом

возможных профилактических работ.

циями. В верхней части

ствол опоры оканчивается

тросостойкой 5, поддер-

живающей грозозащит-

ный трос 4. Провода 7 че-

рез по

двесные изоляторы

6 прикреплены к травер-

сам 2. Для увеличения

крутильной жесткости

ствола опоры относитель-

но вертикальной оси ус-

тановлен ряд диафрагм 8.

Опорные секции через

опорные башмаки опира-

ются на фундамент, кото-

рый на рис. 2 не показан.

2. Материалы для стальных конструкций и соединений.

Для строительных конструкций применяют стали, обладающие достаточ-

ной прочностью и пластичностью, хорошей свариваемостью, прочностью при

динамических воздействиях, стойкостью при низких отрицательных темпера-

турах. По прочности стали разделяют на три группы:

обычной прочности (малоуглеродистые, содержание углерода до 0,22 %)

с пределом текучести до σ

=270 МПа и временным сопротивлением разрыву до

=390 МПа;

повышенной прочности (низколегированные) с σ

=305...390 МПа и

=440...540 МПа;

высокой прочности (низколегированные и термически упрочненные) с

=410...600 МПа и σ

=570...700 МПа.

Согласно СНиП 11-23-81 (строительные нормы и правила) все стали,

применяемые для строительных конструкций, разделяются по виду проката

(лист, фасон, труба) и толщине проката. Нормативные и расчетные сопротивле-

ния проката приведены для большинства марок сталей для толщины 4 — 10 мм,

11 — 20 мм, 21 — 30 мм, 21 — 40 мм, 41 — 100 мм и свыше 100 мм.

Меньшим толщинам проката, как правило, соответствуют более высокие

значения сопротивлений. Поэтому при выборе профилей проката необходимо

стремиться назначать профили с возможно меньшей толщиной элементов сече-

ния, например с толщиной полок и стенок 5 — 20 мм, листов — до 30 — 40 мм.

Малоуглеродистые стали пластичны, хорошо свариваются и широко

применяются для строительных конструкций. Маркировка малоуглеродистых

сталей, например ВСтЗсп5, включает в себя следующие обозначения: буква В

— гарантия поставки стали по механическим свойствам и химическому соста-

ву; СтЗ — марка стали; буквенный индекс после марки — способ раскисления

стали (сп — спокойная, кп — кипящая, пс — полуспокойная стали); цифра в

конце (5 и др.) указывает категорию нормируемых показателей (по ГОСТ 380

— 71.) Спокойная и полуспокойная стали более качественны, чем кипящая, но

немного дороже последней (до 10 — 15 %).

Группу сталей повышенной и высокой прочности составляют: сталь мар-

ки ВСтТпс (термическая обработанная сталь марки СтЗ) и низколегированные

стали (по ГОСТ 19281 — 73, ГОСТ 19282 — 73, ТУ 14-1-3023 — 80 и др.). В

низколегированные стали для повышения механических свойств добавляют ле-

гирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: марганец — Г,

кремннй—С, хром — Х, никель — Н, медь — Д, бор — Р, азот — А, ванадий -

Ф, молибден — М, вольфрам — В, фосфор — П, алюминий — Ю и др. Количе-

ство добавки, %, указывается цифрой после буквы, означающей элемент в мар-

кировке стали (цифра 1 не ставится). Цифра перед буквой обозначает содержа-

ние углеродов в сотых долях процента. Например, сталь 09Г2С содержит 0,09%

углерода, ,2% марганца и 1 % кремния; 16Г2АФ — углерода 0,16 %, марганца

до 2 %, азота и ванадия до 1 % каждого. Наиболее распространенные стали ма-

рок ВСтЗ, 09Г2 и 09Г2С разделяются по прочности на две группы — 1 и 2.

Прочность стали 2-й группы на 13% — 15% выше прочности стали 1-й группы.

Группа прочности стали указывается последней цифрой в обозначении марки

стали, например, ВСтЗсп5-1 или ВСтЗсп5-2; 09Г2 гр. 1 или 091 2 гр. 2 и т. д.

Используя стали повышенной и высокой прочности, можно снизить рас-

ход металла на 20 — 40% в сравнении с малоуглеродистой сталью. Низколеги-

рованные стали имеют повышенное сопротивление хрупкому разрушению при

низких температурах (ниже — 30

С) и при динамических нагрузках.

Проектирование стальных конструкций опор ВЛ и ОРУ (открытых рас-

пределительных устройств) должно проводиться в соответствии с указаниями

главы СНиП 2-23-83 "Стальные конструкции. Нормы проектирования".

Конструкции опор высотой до 100 метров рекомендуется проектировать

из открытых горячекатаных или холодногнутых профилей. Опоры высотой бо-

лее I00 метров рекомендуется проектировать из трубчатых профилей.

В зависимости от механических свойств при растяжении все стали, при-

меняемые для стальных конструкций, подразделяются на условные классы

прочности, именуемые "классами стали". Для опор ВЛ могут применяться ста-

ли классов прочности: С38/23, С44/29, С46/33, C52/40. Цифры в индексе класса

прочности обозначают: числитель - минимальную величину временного сопро-

тивления на разрыв по ГОСТ, МПа, знаменатель - минимальную величину пре-

дела текучести по ГОСТ, MIIa (табл. 1).

Применения сталей для конструкций опор ВЛ в зависимости от темпера-

турных условий их эксплуатации приведены в прил. 1. Для опор ВЛ в качестве

основных видов сталей рекомендуется углеродистая сталь класса С38/23 марки

ВСт3 и низколегированная конструкционная сталь класса С46/33 марки I4Г2 —

в районах с расчетной температурой минус 40 градусов по Цельсию; в районах

с расчетной температурой ниже минус 40 градусов по Цельсию — низколеги-

рованные конструкционные стали О9Г2С и 10Г2С1.

Таблица 1

Механические свойства материалов при растяжении

Класс стали

Временное сопро-

тивление σ

, МПа

Предел текучести

, МПа

Относительное

удлинение δ%

С38/23 380 230 25

С44/29 440 290 21

С46/33 460 330 21

С52/40 520 400 19

Для сварки стальных конструкций следует применять материалы, соот-

ветствующие классу свариваемых сталей и обеспечивающие требуемые свойст-

ва сварных соединений и надлежащую технологию их изготовления.

Для сварки сталей класса С38/23 применяются электроды типа Э42А; для

сталей остальных классов при любых температурах — Э50А.

В болтовых соединениях применяют болты грубой точности (ГОСТ

I5589-70), нормальной точности (ГОСТ 7798-70) и повышенной точности

(ГОСТ 7805-70) выполненные из углеродистых и легированных сталей (ГОСТ

1759-70).

В болтовых соединениях, работающих на растяжение, класс прочности

гаек должен соответствовать первому числу обозначения класса прочности

болтов. Например, болту класса прочности 5.8 соответствует гайка класса

прочности 5 и т.п.

Шайбы должны применяться: плоские - из стали марки ВСт3кп2 по ГОСТ

380-7I, пружинные - по ГОCT 6402-70 из стали марки 65Г.

Анкерные болты должны проектироваться: в районах с расчетной темпе-

ратурой минус 40

С и выше — из стали марки ВСт3сп2, а в районах с расчет-

ной температурой от минус 41 до минус 65

С — из стали марок 09Г2С-6 и

10Г2С1-6 по ГОСТ I928I-73.

За расчетную температуру принимается средняя температура наружного

воздуха наиболее холодной пятидневки согласно указаниям главы СНиП по

строительной климатологии и геофизики.

3. Расчетные характеристики материалов

За расчетное сопротивление (допускаемое напряжение) принимается зна-

чение предела временного сопротивления (предела прочности) материала, де-

ленное на нормативный коэффициент запаса прочности, принимаемый равным

I,6. В необходимых случаях значение допускаемого напряжения понижается

умножением на коэффициенты условий работы (табл.2).Расчетные сопротивле-

ния прокатной стали приведены в табл.3, болтов в табл.4.

Таблица 2

Наименование элементов конструкции

Значение коэффициента

условий работы

I. Растянутые элементы поясов и решетки с проко-

лотыми дырами

0,9

2. Сжатые пояса из одиночных уголков в первых

двух панелях от опорного башмака

0,9

3. Сжатые раскосы пространственных решетчатых

конструкций из одиночных уголков, прикрепляе-

мых одной полкой при помощи сварки и болтов

0,75

Таблица 3

Допускаемые напряжения, МПа , стали классов Вид напря-

женного со-

стояния

Обозначение

С38/23 С44/29 С46/33 С52/40

Растяжение,

сжатие и

изгиб

[σ] 210 260 290 340

Срез [τ] 130 150 170 200

Смятие

торцевой

поверхности

[σ] 320 390 430 510

Таблица 4

Допускаемые напряжения, МПа,

стали классов Болты

Со-

едине-

ния

Напряжен-

ное со-

стояние

Обо-

значе-

ние

4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 8.8

Растяжение

[σ] 170 160 190 210 240 400

Повы-

шенной

точно-

сти

Одно

болто-

вые и

много

болто-

вые

Срез [τ] 150 160 180 170 200 300

Растяжение

[σ] 170 160 190 210 240 400 Одно

болто-

вые

Срез [τ] 150 160 180 170 200 300

Растяжение

[σ] 170 160 190 210 240 400

Нор-

мальной

и грубой

точно-

сти

Много

болто-

вые

Срез [τ] 130 140 150 160 170 250

4. Механический расчет провода воздушной линии

4.1. Общие сведения о проводах воздушных линий

На ВЛ применяются многопроволочные провода, скрученные из алюми-

ниевых проволок. Для повышения механической прочности провода к алюми-

ниевым проводам добавляют стальные. В проводах такого типа высокая элек-

трическая проводимость алюминия сочетается с большой механической проч-

ностью стали.

Согласно ГОСТ 839-74 принято следующее обозначение марки проводов:

АС — сталеалюминиевый; АС — сталеалюминиевый облегченной конструк-

ции, соотношение площадей алюминия и стали составляет около 8; АС — ста-

леалюминиевый усиленной конструкции, указанное выше соотношение площа-

дей около 4,3. Добавляемое иногда к буквам "КП" указывает на то, что межпро-

волочное пространство всего провода заполнено нейтральной смазкой для по-

вышения коррозионной стойкости.

Цифра, стоящая после буквенного наименования провода в числители,

показывает приближенно величину площади алюминиевой части провода

(

мм

.), а в знаменатели – стали F

(

мм

)

Вокруг проводов с напряжением выше 220 кВ возникает высокая напря-

женность электрического поля, которая приводит к ионизации воздуха (корон-

ный разряд). Для уменьшения электрических потерь на «корону» каждую фазу

расщепляют на два провода и более в зависимости от напряжения ВЛ. Провода

в каждой из фаз располагаются как показано на рис. 3.

Рис. 3. Расположение проводов в фазе

Число проводов в фазе обозначим через z. Например, 2 х АС-300/39 оз-

начает сталеалюминиевый провод, для которого площадь сечения алюминиевой

части составляет F

= 301 мм

, стального сердечника – F

= 38,6 мм

и фаза

расщеплена на два провода.

4.2. Условия работы сталеалюминиевых проводов

В общем случае ВЛ работает в очень сложных и тяжелых условиях. На

провода действуют: собственный вес провода; циклические нагрузки от ме-

няющегося гололедного образования; циклические нагрузки от ветровых нагру-

зок, вызывающих, кроме того, динамические нагрузки. В проводах возникают

растягивающие усилия Т - тяжение провода - от действия внешних нагрузок и

температуры воздействия, то есть изменение напряжения в сечении провода за

счет отклонения температуры провода от температуры скрутки, принимаемой -

С – 20

С.

Рассмотрим работу сталеалюминиевого провода при статических нагруз-

ках.

Расчетная схема провода может быть представлена в виде стержня, со-

стоящего из стального сердечника и алюминиевого цилиндра (Рис.4). Причем

силы трения между оболочкой и сердечником препятствуют их относительному

смещению.

При расчете стелеалюминиевых проводов введем соотношения:

k =

(1)

где Fc, Fa - площадь диаметрального сечения соответственно стали и алюми-

ния; Еа - модуль упругости первого рода алюминия (Е

= 0,7 10

МПа); Ес -

модуль упругости первого рода стали (Ес =2 I0

МПа); α

- коэффициент ли-

нейного расширения алюминия (α

=230 10

-7

1/град); α

- коэффициент линей-

ного расширения стали (α

=125ּ10

-7

1/град).

Примечание: здесь приведены усредненные значения соответствующих

величин.

Расчет проводов ведется по допускаемым напряжениям. Следовательно,

необходимо определить рабочие напряжения, возникающие в стальной и алю-

миниевой частях провода при его работе, и сравнить их с допускаемыми на-

пряжениями. Так как сталь и алюминий имеют различные механические харак-

теристики то при расчете проводов вводится понятие эквивалентного или при-

веденного напряжения, представляющего собой какое то условное напряжение

в проводе, как если бы стальная и алюминиевая его части работали одинаково.

Это понятие – эквивалентное, или приведенное значение, относится так-

же и к модулю упругости первого рода, и к коэффициенту линейного расшире-

ния.

4.3. Приведенный модуль упругости

Найдем приведенный модуль упругости для сталеалюминиевого провода,

для чего рассмотрим равновесие части провода (рис.4).

Рис.4 Условная схема деформации

сталеалюминиевого провода

Запишем уравнение статики.

ΣΣ

= -T + N

+ N

(2)

Задача является один раз статически неопределимой. Для раскрытия ста-

тической неопределимости применим метод деформаций. Под действием тяже-

ния провод получит удлинение ∆

Предполагая, что между алюминием и ста-

лью в проводе отсутствует взаимное смещение, запишем равенство:

∆

∆∆

∆

l =

∆

∆∆

∆

∆∆

∆

с (3)

Применив зависимость Гука и поделив на

уравнение (3) можем запи-

сать:

T∆

⋅

(4)

где F=F

– полная площадь поперечного сечения провода; Е – приве-

денный модуль упругости первого рода.

Но по закону Гука

σσ

εε

ε⋅

⋅⋅

⋅

σσ

εε

ε⋅

⋅⋅

⋅

;

σσ

εε

ε⋅

⋅⋅

⋅

; - напряжения в

составных частях провода пропорциональны модулям упругости первого рода.

Выразив в уравнении (2) усилия через площади и модули упругости пер-

вого рода (для всего провода - T =

εε

ε⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

F и аналогично для N

и N

), найдем вы-

ражение для определения эквивалентного модуля упругости.

km)(1E

= (5)

4.4

. Приведенный коэффициент линейного расширения

Коэффициент

линейного

расширения

стали

примерно

два

раза

меньше

коэффициента

линейного

расширения

алюминия

поэтому

при

изменении

тем

пературы

провода

по

отношению

температуре

скрутки

составных

частях

провода

появятся

температурные

напряжения

При

расчете

провода

использу

ется

приведенный

коэффициент

линейного

расширения

Найдем

его

значение

для

чего

рассмотрим

схему

работы

провода

при

нагревании

Предположим

что

разность

температур

скрутки

провода

длиной

тем

пературой

работы

провода

составила

величину

равную

∆t.

Найдем

темпера

турные

напряжения

составных

частях

провода

для

чего

воспользуемся

прин

ципом

независимости

действия

сил

рассмотрим

деформацию

составных

час

тей

провода

раздельно

предполагая

что

силы

трения

между

сталью

алюми

нием

отсутствуют

(

рис

.5).

Деформируясь

свободно

независимо

друг

от

друга

вследствие

изменения

температуры

составные

части

провода

получили

бы

уд

линения

∆

∆∆

∆

с(t)

∆

∆∆

∆

а(t)

Никаких

усилий

при

этой

свободной

деформации

Рис

.5.

Схема

деформации

сталеалюминиевого

провода

при

изменении

температуры

составных

частях

провода

не

возникает

Однако

силы

трения

между

сталью

алюминием

приведут

тому

что

конец

провода

займет

какое

то

положение

провод

удлинится

как

единое

целое

на

∆

∆∆

∆

(t)

следовательно

∆

∆∆

∆

(t) =

∆

∆∆

∆

(t) ) =

∆

∆∆

∆

(t)

(6)

При

этом

от

перемещения

провода

от

состояния

как

при

свободной

де

формации

до

реального

положения

возникнут

сжимающие

усилия

алю

миниевой

части

провода

растягивающие

усилия

стальной

части

прово

да