Идельчик В.И. Электрические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

350-

Расчет

ВЛ на механическую прочность

Г л 8

Таблица 82 Конструктивные размеры ВЛ

Номинальное | Расстояние между \ Длина проле- 1 Иысата опоры I Габарит

напряжение, кВ проводами, м та /, м Н, м линии ft , м

0,5

40—50

8—9

6-7

6—10 1 50—100 10 6-7

35 3 150—200 10 6—7

НО 4 170—259 13—14 6-7

220 7 250—330 25—30 7-8

330 9 300—400 25—30 7,5-8

500 12 350—450 25—30 8

750 15 450—750 30—41 10-12

1150 21,7-26

33,1—54

14,5-17,5

±750 22,4—10,4

—

28,1—38,4 10,5—11,5

грязнением воздуха. Приведем краткую характеристику

некоторых из перечисленных факторов.

Атмосферные перенапряжения на линиях возникают из-

за грозовых явлений. При таких кратковременных перена-

пряжениях часто возникают пробои изоляционных проме-

жутков и в частности перекрытие изоляции, а иногда и ее

разрушение или повреждение. Перекрытие изоляции обыч-

но сопровождается возникновением дуги, которая поддер-

живается и после перенапряжения, т.е. при рабочем на-

пряжении Образование дуги означает короткое замыка-

ние,

поэтому место повреждения надо автоматически

отключать.

Коммутационные (внутренние) перенапряжения возни-

кают при включении и отключении выключателей. Дейст-

вие их на изоляцию сетевых устройств аналогично действию

атмосферных перенапряжений. Место перекрытия тоже на-

до отключать автоматически. В сетях до 220 кВ обычно

более опасны атмосферные перенапряжения, определяющие

уровень изоляции. В сетях 330 кВ и выше опаснее комму-

тационные перенапряжения.

Изменения температуры воздуха достаточно велики, ин-

тервал может быть от —40 до +40 °С, кроме того, провод

ВЛ нагревается током и при экономически целесообразной

мощности температура провода на 2—5° выше, чем возду-

ха Понижение температуры воздуха увеличивает допусти-

мую по нагреву температуру и ток провода. Одновременно

с этим при понижении температуры уменьшается длина

§ 8

Исходные условия расчета конструктивной части линии 351

провода, что при фиксированных точках закрепления повы-

шает механические напряжения.

Повышение температуры проводов приводит к их отжи-

гу и снижению механической прочности Кроме того, при

повышении температуры провода удлиняются и увеличи-

ваются стрелы провеса. В результате могут быть наруше-

ны габариты и изоляционные расстояния, т. е. снижены

надежность и безопасность работы ВЛ.

Действие ветра приводит к появлению дополнительной

горизонтальной силы, следовательно, к дополнительной

механической нагрузке на провода, тросы и опоры. При

этом увеличиваются тяжения проводов и тросов и механи-

ческие напряжения их материала. Появляются также до-

полнительные изгибающие усилия на опоры. При сильных

ветрах возможны случаи одновременной поломки ряда опор

линии.

Гололедные образования на проводах возникают в ре-

зультате попадания капель дождя и тумана, а также сне-

га, изморози и других переохлажденных частиц Гололед-

ные образования приводят к появлению значительной ме-

ханической 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 проводов, провода

сближаются, сокращаются изоляционные расстояния. В ре-

зультате гололедных образований возникают обрывы про-

водов и поломки опор, сближения и схлестывания проводов

с перекрытием изоляционных промежутков не только при

перенапряжениях, но и при нормальном рабочем напря-

жении

Вибрация — это колебания проводов с высокой часто-

той (5—50 Гц), малой длиной волны (2—10 м) и незначи-

тельной амплитудой (2—3 диаметра провода). Эти коле-

бания происходят почти постоянно и вызываются слабым

ветром, из-за чего появляются завихрения потока, обтека-

ющего поверхность провода воздуха. Из-за вибраций на-

ступает «усталость» материала проводов и происходят

разрывы отдельных проволочек около мест закрепления

провода близко к зажимам, около опор. Это приводит

к ослаблению сечения проводов, а иногда и к их обрыву.

«Пляска» проводов — это их колебания с малой часто-

той (0,2—0,4 Гц), большой длиной волны (порядка одно-

352

Расчет

ВЛ на механическую

прочность

Гл. 8

го-двух пролетов) и значительной амплитудой (0,5—5 м

и более). Длительность этих колебаний, как правило, не-

велика, но иногда достигает нескольких суток. Пляска про-

водов обычно наблюдается при сравнительно сильном вет-

ре и гололеде, чаще на проводах больших сечений. При

пляске проводов возникают большие механические усилия,

действующие на провода и опоры и часто вызывающие об-

рывы проводов, а иногда и поломку опор. При пляске про-

водов сокращаются изоляционные расстояния, из-за боль-

шой амплитуды колебаний в некоторых случаях провода

схлестываются, из-за чего возможны перекрытия при ра-

бочем напряжении линии. Пляска проводов наблюдается

сравнительно редко, но приводит к наиболее тяжелым ава-

риям ВЛ.

Опасное для работы ВЛ загрязнение воздуха вызвано

присутствием частичек золы, цементной пыли, химических

соединений (солей) и т. п. Осаждение этих частиц на влаж-

ной поверхности изоляции линии и электротехнического

оборудования приводит к появлению проводящих каналов

и к ослаблению изоляции с возможностью ее перекрытия

не только при перенапряжениях, но и при нормальном ра-

бочем напряжении.

Загрязнение из-за большого наличия солей в воздухе на

побережье моря может привести к активному окислению

алюминия и нарушению механической прочности проводов.

На повреждаемость ВЛ с деревянными опорами влия-

ет загнивание их древесины. На надежность работы ВЛ

влияют и некоторые другие условия их работы, например

свойства грунта, что особенно важно для ВЛ Крайнего Се-

вера.

Расчетные климатические условия и мероприятия по

повышению механической прочности при проектировании

конструктивной части ВЛ выбираются в соответствии

с картами районирования территории СССР по скоростным

напорам ветра и размерам гололедных образований и гро-

зовой активности. Карты районирования составлены по

данным многолетних метеорологических наблюдений. По

данным этих карт территория СССР разделена на I—VII

районы по скоростным напорам ветра и на I—IV и особые

районы по толщине стенки гололеда. Характеристики кли-

матических условий приведены в табл. 8.3, 8.4.

Расчеты конструктивной части элементов ВЛ выполня-

§ 8.1 Исходные условия расчета конструктивной части линии 353

Таблица 83 Максимальный нормативный скоростной напор ветра

на высоте до 15 м от поверхности земли

Ра Попы

Скоростной напор ветр

а Па (скорость ветра,

м/с), с повторяемостью

по потру

1 раз в 5 лет

1 раз в 10 лет

1 раз в 15 лет

270(21)

400(25)

550

(30)

350(24) 400(25) 550(30)

450(27) 500(29) 550(30)

IV 550(30)

650

(32) 800(36)

V 700(33) 800(36) 800(36)

VI 850(37) 1000(40) 1000(40)

VII 1000(40) 1250(45) 1250(45)

Таблица 84 Нормативная толщина стенки гололеда для высоты

10 м над поверхностью земли

Районы СССР

Нормативная толщина стенки гололеда, мм, с повторяемостью

по гололеду

1 раз гс 5 лет

1 раз в 10 лет 1 раз в 15 лет

III

Особый

20 и более

с уточнением по

наблюдениям

22 и более

с уточнением по

наблюдениям

На основе данных

наблюдений, но

не менее 10 мм

ются при сочетаниях климатических условий, приведенных

в табл. 8.5.

Мероприятия по повышению механической прочности

ВЛ имеют важное значение для повышения их надежности.

Для защиты от грозовых воздействий ВЛ на металличес-

ких и железобетонных опорах снабжаются тросами. В рай-

онах с сильным гололедом (III и выше) не применяются

ВЛ с вертикальным расположением проводов. В местностях

с загрязненным воздухом применяются изоляторы с более

развитой поверхностью. На морском побережье при выпол-

нении ВЛ применяются провода из специальных сплавов

алюминия. Для защиты от вибрации применяются специ-

альные виброгасители в виде грузов, подвешиваемых к про-

водам.

Большое значение имеет борьба с гололедными образо-

23—237

354

Расчет

ВЛ на механическую

прочность

Гл 8

Таблица 85 Нормативные сочетания климатических условий

для проектирования воздушных линий

Режим

Скоростной Скорость Толщина

работы ВЛ

Условия расчетов

—

та

напор ветра

остр).

стенки

Па м/с гочоледа мм

Нормаль-

Высшая темпера-

бнб

0 0

ный тура воздуха

Низшая темпера-

тура воздуха

"им 0 0 0

Среднегодовая

температура воз-

духа

0сг 0 0 0

Провода и тросы по-

крыты гололедом

—5 0 0 *г

Наибольший ско-

ростной напор

ветра (табл 8 3)

—5

<7пб

Унб 0

То же при Осг<|

<-5°С

—10 <?нб

"нб

Провода и тросы -5 0-25

q"„

0,5и

нб

—по

на-

покрыты гололе-

но не более

но не

бо- блюдениям

дом

300

лее 22

но не ниже

5 мм для

330 кВ и

10 мм для

500 кВ

То же при 0

С1

^-5°С

- 10 0.25

иб

0,5 i'

То же

То же при Ъ^

~^\Ь мм

-5

0.25 С»

но не менее

140 и

не более 300

0,5

ll6

но не ме-

нее 1,5

и не бо-

лее 22

>15

То же при 9сг<

<—5 °С и ft

^15 мм

Приближения про

водов к опорам

н сооружениям

-10 То же* То же >15

при рабочем

напряжении

-5

?и5

fHO 0

при атмосфер +

0,1,

но

0,3i'

ных внутрен- не менее

но не

ме-

них перена-

пряжениях

62,5 нее 10

для безопасного

подъема на

опору под

напряжением

-15 0 0 0

§ 8 1 Исходные условия расчета конструктивной части линии 355

Продолжение табл 8 5

Режим

р (Литы 1ЯЛ

УСЛОВИЯ

расчетов

Темпера-

тур

]

ВОЗ

Скоростной

напор ветра,

Па

Скорость

ветра, м/с

Толщина

стенки юло-

ледт мм

Обрыв

проводов

или тро-

сов

При среднегодовой

температуре

При проводах и

тросах, покры-

тых гололедом

То же

При низшей темпе-

ратуре

СГ

—5

0„м

0,25 q

0/) v

—до обры-

ва,

0—после

обрыва

Монтаж

проводов

и тросов

Условия монтажа

— 15

62,5 10

* Для ВЛ

6—20

кВ допускается скоростной напор вегра при юлоледе прини-

мать не менее 200 Па (скорость ветра

—

не менее 18 м/с) независимо от толщины

стенки гололеда

ваниями. Из всех мер борьбы с гололедом наиболее эф-

фективна его плавка большим током. При плавке гололе-

да температура провода повышается до такого значения,

при котором расплавляются гололедные образования или

становится возможным их сброс. При плавке гололеда или

производится временное изменение схемы электроснабже-

ния, при котором в данной ВЛ течет нужный большой ток,

или заранее предусматривается создание короткозамкнутой

цепи Кроме того, для плавки гололеда применяются спе-

циальные источники постоянного (или переменного) тока.

Применение короткозамкнутых схем требует временного

отключения соответствующих линий от общей сети При

этом электроснабжение потребителей должно производить-

ся по другим временным схемам или с использованием

местных резервных источников питания

Особенности расчета проводов и тросов на механичес-

кую прочность состоят в следующем: 1) В Л рассчитыва-

ются исходя из условий, повторяющихся не реже 1 раза

в 5—15 лет; 2) механические нагрузки на ВЛ меняются

в очень широких пределах; 3) сечение провода, как прави-

ло,

определяется из электрического расчета.

23*

356

Расчет

ВЛ на

механическую

прочность

Гл. 8

При проектировании

ВЛ не

ставится задача обеспече-

ния

их

надежной работы

при

любых климатических усло-

виях. Расчетные нагрузки определяют, исходя

из

наихуд-

ших сочетаний климатических условий, наблюдаемых

не

реже

раза

последние

15 лет для

В Л

500 кВ, 10

лет

—

для

ВЛ

110—330

кВ и 5

лет —для В Л

35 кВ и

ниже.

Это

значит,

что

В Л ПО—330

кВ

проектируют

сооружают

так,

что они

могут повреждаться

при

очень редких услови-

ях, повторяющихся

период больше

10 лет

(например,

при ураганных ветрах). Народнохозяйственный ущерб

при

таких редких авариях меньше дополнительных затрат,

ко-

торые потребовались

бы для

сооружения

ВЛ,

рассчитан-

ных

на

надежную работу

этих исключительных условиях.

Провода

опоры

ВЛ

находятся

под

воздействием меха-

нических

сил,

меняющихся

очень широких пределах.

На-

грузка

от

гололеда

на

провод

пролете можег меняться

от нуля

до

нескольких тонн, температура воздуха

—

от

+40

до

—40 °С, ветер может отсутствовать

или

иметь ура-

ганную силу. Расчетные нагрузки

от

ветра

гололеда име-

ют вероятностный характер,

и при их

определении исполь-

зуются результаты статистического анализа.

Сечения проводов

ВЛ

выбираются

по

экономическим

интервалам либо

по

экономической плотности тока,

а в не-

Таблица

Наименьшие допустимые сечения проводов

(токоведущей части),

мм

Характеристики участков

линии

Провода

Номиналь-

ьсе напря-

Характеристики участков

линии

-з

алюминие-

вого

спла-

ва

4Ж

стальные

жение

линии

Характеристики участков

линии

-з

алюминие-

вого

спла-

ва

4Ж

много-

прово-

лочные

однопро-

волочные

До

1 кВ

На всех участках,

кроме ответвлений

—

к вводам

Ответвления

вво-

дам

—

3-4

Выше

На всех участках

при

кВ

толщине стенки

го-

лоледа,

мм:

До

240

120

...

и 20

240 50 120

—

более

240 70 120

— —

§ 8.2 Удельные механические нагрузки на провода и

тросы

357

которых случаях

—

по допустимой потере напряжения или

но нагреву. По условиям механической прочности наимень-

шие сечения проводов ограничиваются в двух случаях. Не

допускается: 1) применение проводов с сечениями токове-

дущей части, меньшими приведенных в табл. 8 6; 2) подвес-

ка проводов определенных марок в пролетах больших, чем

указанные в табл. 8.7. Наименьшие сечения проводов при

Таблица 8 7. Наибольшие допускаемые промежуточные пролеты, м

Толщина стенки гололеда, Толщина стенки гололеда,

Марка

ММ

Марка мм

провода

ДО 10

20 до 10 15

А 35

140 АС 35/6,2 320

200

140

А 50 160 90 60 АС 50/8 360 240 160

А 70 190 115 75 АС 70/11 430 290 200

А 95 215 135 90 АС 95/16 525 410 300

А 120 270 150 ПО АС 120/19 660 475 350

А 150 335 165 130 ПС 25 520 220 150

АС 25/4,2 230

— —

пересечении ВЛ с судоходными реками, железными доро-

гами, линиями' связи, подземными трубопроводами и ка-

натными дорогами приведены в [12].

8.2. УДЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА ПРОВОДА

И ТРОСЫ

На провода и тросы

ВЛ действуют механические на-

грузки, направленные по вертикали (от собственного веса

и гололеда) и по горизонтали (от ветра). В результате

в металле проводов возникают напряжения от растяжения.

При расчетах на механическую прочность в качестве

исходных данных используются удельные механические

нагрузки на провода. Под удельной нагрузкой понимают

равномерно распределенную вдоль пролета провода меха-

ническую нагрузку, отнесенную к единице длины и попе-

речного сечения. Как правило, удельная нагрузка выража-

ется в ньютонах и относится к проводу длиной 1 м и сече-

В дальнейшем для краткости будем говорить только о проводах,

имея в виду, что все сказанное полностью относится и к тросам.

358

Расчет

ВЛ на механическую

прочность

Гл.

нием 1 мм

. В расчетах используются следующие удельные

нагрузки:

удельная нагрузка от собственного веса провода — за-

висит от его материала и равна, Н/м

(рис. 8.3, а),

Ъ = 9,81 -^ , (8.2)

где

— масса провода, кг/м; F — расчетное или действи-

тельное сечение провода, несколько отличающееся от но-

Рис.

8.3. Удельные нагрузки:

— от

веса провода;

б —

от веса гололеда;

в —

от веса провода

гололеда; г

—

от давления ветра

на

провод, д—or давления ветра

на

провод

гололедом

минального сечения, учитываемого при электрических рас-

четах, м

; 9,81 м/с

— ускорение силы тяжести.

Значения y

кПа/м, приведены в табл. 8.8;

удельная нагрузка от веса гололеда (рис. 8.3,6). Под

действием ветра, направленного поперек линии, при тем-

пературе, близкой к нулю, в начальной стадии образо-

вания гололеда происходит одностороннее налипание

осадков (рис. 8.4,а). Силой тяжести этих осадков в сред-

ней части пролета провод скручивается, и налипание про-

должается на других его сторонах. В результате почти со

всех сторон большая часть провода покрывается гололед-

ными образованиями (рис.

8.4,6)

разной толщины и плот-

ности. Толщина этой корки может достигать нескольких

сантиметров, плотность льда изменяется в широких преде-

лах.

§ 8.2 Удельные механические нагрузки на провода и

тросы

359

0 л и ц а 8 8 Физико-механические характеристики проводов и тросов

Удельная

нагруз-

ка от собственно-

го

веса

кПа/м

Модуль

упругос-

ти Е, ГПа

Температурный

коэффициент ли-

нейного расшире-

ния

а, Ю

град—

Предел прочности при

растяжении а , МПа

Провода н тросы

Удельная

нагруз-

ка от собственно-

го

веса

кПа/м

Модуль

упругос-

ти Е, ГПа

Температурный

коэффициент ли-

нейного расшире-

ния

а, Ю

град—

из проволоки

Удельная

нагруз-

ка от собственно-

го

веса

кПа/м

Модуль

упругос-

ти Е, ГПа

Температурный

коэффициент ли-

нейного расшире-

ния

а, Ю

град—

AT АТп

из стали

и сплавов

Алюминиевые А,

АКП сечением,

мм

до 400, за ис-

ключением 95 и

240

450 и более, а

также 95 и 240

Сталеалюминие-

вые АС, АСКС,

АСКП, АСК сече-

нием, мм

10 и более при

А:С = 6,0ч-6,25

70 при А:С =

= 0,95

95 при А:С =

= 0,65

120 и более при

А-

= 4,29-^4,39

150 и более при

А:С = 7,714-8,04

185 и более при

А:С=1,46

330 при А

С=

= 12,22

400 и 500 при

А:С=17,93 и

18,09

Стальные:

ПС всех сечений

тросы ТК всех

сечений

из алюминиевого

сплава АН

из алюминиевого

сплава АЖ

27,5

34,6

53,7

58,5

37,1

33,4

48,4

31,5

30,3

27,5

82,5

134

146

114

66,5

200

23,0

19,2

14,5

13,9

18,3

19,8

15,5

21,2

160

150

290

670

760

330

270

550

240

215

170

160

300

680

770

340

280

560

260

230

620

208

285

* Принимается по соответствующим ГОСТ, но не менее 1200 МПа.