Проектирование воздушных линий электропередач

1. Провода и грозозащитные тросы. Общие сведения

2. Конструкции проводов и тросов

3. Расчетные климатические условия. Ветровые и гололедные нагрузки. Влияние температуры

4. Критические пролеты линий электропередач. Критическая температура

5. Расчет критической температуры для пролета

Воздушные линии электропередачи служат для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и закрепляемым при помощи изоляторов и линейной арматуры на опорах, а в отдельных случаях — на кронштейнах или на стойках инженерных сооружений (мосты, дымовые трубы, здания и др.)

Ежегодно сооружается более 25 тыс. км линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше, а также 200 тыс. км линии более низких напряжений. Целью строительства линий напряжением 220 кВ и выше является объединение энергосистем, позволяющее уменьшить установленную мощность электростанций за счет объединения резервов. Строительство линий более, низких напряжений производится для подключения к общегосударственной сети новых потребителей, в том числе сельскохозяйственных. Питание сельских населенных пунктов от государственной сети значительно надежнее и экономичнее, чем от местных электростанций небольшой мощности.

Выполнение поставленных задач невозможно без механизации строительно-монтажных работ и без применения типовых конструкций опор и фундаментов. Поэтому в настоящее время при сооружении большей части линий применяются типовые конструкции опор и фундаментов, а индивидуальные конструкции — лишь в редких случаях.

Разработаны специальные правила и стандарты для проектирования и сооружения линий электропередачи. Основные требования, предъявляемые в к линиям электропередачи, определяются действующими Правилами устройства электроустановок — ПУЭ [10], согласно которым линии подразделяются на две категории по напряжениям: до 1000 В и выше 1000 В. Проектирование и сооружение опор и фундаментов линий как строительных конструкций производится на основании Строительных норм и правил — СНиП.

Приняты следующие стандартные напряжениятрехфазного тока до 1000 ВТ 127, 220, 380 и 500 В. В диапазоне выше 1000 В (1 кВ) стандартизованы напряжения 3, 6, 10, 15, 20, 35, ПО, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ. Наряду с линиями трехфазного тока сооружаются также линии электропередачи постоянного тока.

Расстояния между проводами, между проводами и заземленными частями опор, а также от проводов до поверхности земли следует принимать такими, чтобы при рабочем напряжении линии была исключена возможность электрических разрядов между проводами, с. проводов на опору и на наземные сооружения и предметы. Для этого необходимо обеспечить достаточную электрическую прочность изоляторов и воздушных изоляционных промежутков. Изоляторы и воздушные промежутки должны также с большой степенью вероятности исключать электрические разряды при перенапряжениях, которые могут возникать на линии данного напряжения.

Основными элементами воздушных линий являются провода. Изоляторы, линейная арматура, опоры и фундаменты. Дополнительными элементами, необходимыми на некоторых линиях для обеспечения надежности их работы, являются грозозащитные тросы, заземления, разрядники и др.

На линиях электропередачи можно подвешивать сталеалюминиевые, алюминиевые, алдреевые, медные, бронзовые, сталебронзовые и стальные провода. В настоящее время на линиях напряжением выше 1000 В в большинстве случаев применяются сталеалюминиевые провода. Алюминиевые провода часто подвешиваются на линиях напряжением до 35 кВ включительно и в отдельных случаях — на линиях 110кВ. Стальные провода применяются на линиях до 1000 В, а также на сельских линиях до 36кВ. Медные, бронзовые и сталебронзовые провода практически не используются вследствие дефицитности меди.

На линиях напряжением 110кВ и выше необходимо учитывать Потери электрической энергии на корону, связанные с ионизацией воздуха около проводов. Эти потери уменьшаются при увеличении диаметра провода. Поэтому для линий 110кВ следует применять провода диаметром не менее 11,4 мм, для линий 150кВ — Не менее 15,2 мм и для линий 220кВ — не менее 21,6 мм.

На линиях напряжением 330кВ и выше для ограничения потерь на корону до приемлемых значений пришлось бы подвешивать Провода очень большого диаметра. Потери на корону можно уменьшить, заменив один провод несколькими параллельными проводами, образующими так называемую расщепленную фазу. На линиях 330кВ обычно применяется расщепление фазы Hа два провода, на линиях 500кВ — на три и на линиях 750кВ — на четыре или пять проводов.

Грозозащитные тросы, как правило, представляют собой стальные канаты, свитые из нескольких проволок; иногда подвешиваются сталеалюминиевые грозозащитные тросы.

Изоляторы, служащие для подвески проводов на воздушных линиях, подразделяются на штыревые и подвесные.

Штыревые изоляторы, применяемые на линиях напряжением до 35 к В включительно, устанавливаются на опорах С помощью крюков или штырей; провода закрепляются на изоляторах этого типа с помощью проволочной вязки. На линиях напряжением 35кВ применяются как штыревые, так и подвесные изоляторы; на линиях напряжением 110кВ и выше — только подвесные изоляторы.

Подвесные изоляторы состоит из фарфоровой или стеклянной изолирующей части и соединенных с ней металлических элементов, служащих для сцепления нескольких изоляторов друг с другом, а также, для соединения изоляторов с линейной арматурой. Ряд последовательно соединенных изоляторов называется гирляндой — провода закрепляются на гирляндах посредством линейной арматуры — зажимов и специальных деталей. Закрепление гирлянд на опорах производится также с помощью сцепной арматуры.

Воздушные линии сооружаются в районах с различными климатическими условиями, влияющими на выбор элементов линий. В ПУЭ даются указания по выбору расчетных климатических условии, в соответствии с которыми определяются расчетные нагрузки.

Основными климатическими факторами, определяющими нагрузки, являются ветер и гололед. Долголетние наблюдения позволили установить для территории границы ветровых и гололедных районов, различающихся скоростью ветра и интенсивностью гололедных образований. При проектировании линий электропередачи ветровые и гололедные районы определяются по карте или при необходимости по уточненным данным наблюдений.

На воздушных линиях переменного трехфазного тока подвешивается не менее трех проводов, составляющих одну цепь, на линиях электропередачи постоянного тока — не менее двух проводов.

По числу цепей линии электропередачи делятся на одноцепные, двухцепные и многоцепные. Число цепей определяется схемой энергоснабжения в зависимости от передаваемой мощности, напряжения линии электропередачи и необходимости резервирования. Если по схеме энергоснабжения требуются две цепи, то эти цепи могут быть подвешены на двух отдельных одноцепных линиях с одноцепными опорами или на одной двухцепной линии с двухцепными опорами.

Как правило, одна двухцепная линия дешевле, чем две параллельные одноцепные линии, и может быть сооружена и более короткий срок.

В зависимости от способа подвески проводов опоры делятся на две группы:

а) опоры промежуточные, на которых провода закрепляются в поддерживающих зажимах;

б) опоры анкерного типа, служащие для натяжения проводов; на этих опорах провода закрепляются в натяжных зажимах.

Расстояние между, опорами называется пролетом, а расстояние между опорами анкерного типа анкерованным участком (рис. В-1). В соответствии с требованиями ПУЭ пересечения некоторых инженерных сооружений, например железных дорог общего пользования, необходимо выполнять на опорах анкерного типа. Па углах поворота линии устанавливаются угловые опоры, на которых провода могут быть подвешены в поддерживающих или натяжных зажимах. Таким образом, две основные группы опор — промежуточные и анкерные — разбиваются на типы, имеющие специальное назначение.

Промежуточные прямые опоры устанавливаются на прямых участках линии. На промежуточных опорах с подвесными изоляторами провода закрепляются в поддерживающих гирляндах, висящих, вертикально; на опорах со штыревыми изоляторами закрепление проводов производится проволочной вязкой. В обоих случаях промежуточные опоры воспринимают горизонтальные нагрузки от давления ветра на провода и на опору и вертикальные — от веса проводов, изоляторов и собственного веса опоры.

Рис. В-1 Схема анкерованного участка воздушной линии При необорванных проводах и тросах промежуточные опоры, как правило, не воспринимают горизонтальной нагрузки от тяжения проводов и тросов в направлении линии и поэтому могут быть выполнены более легкой конструкции, чем опоры других типов, например концевые, воспринимающие тяжей не проводов и тросов. Однако для обеспечения надежной работы линии промежуточные опоры должны выдерживать некоторые нагрузки в направлении линии (cм. гл. V).

Промежуточные угловые опоры устанавливаются на углах поворота линии с подвеской проводов в поддерживающих гирляндах. Помимо нагрузок, действующих на промежуточные прямые опоры, промежуточные и анкерные угловые опоры воспринимают также нагрузки от поперечных составляющих тяжения проводов и тросов. При углах поворота линии электропередачи более 20 градусов вес промежуточных угловых опор значительно возрастает. Поэтому промежуточные угловые опоры применяются для углов до 10—20 градусов. При больших углах поворота устанавливаются анкерные угловые опоры.

Анкерные опоры. На линиях с подвесными изоляторами провода закрепляются в зажимах натяжных гирлянд; эти гирлянды являются как бы продолжением провода и передают его тяжение на опору. Па линиях со штыревыми изоляторами провода закрепляются на анкерных опорах усиленной вязкой пли специальными зажимами, обеспечивающими передачу полного тяжения провода на опору через штыревые изоляторы.

При установке анкерных опор на прямых участках трассы и подвеске проводов с обеих сторон от опоры с одинаковыми тяжениями горизонтальные продольные нагрузки от проводов уравновешиваются и анкерная опора работает так же, как и промежуточная, т. е. воспринимает только горизонтальные поперечные и вертикальные нагрузки. В случае необходимости провода с одной и с другой стороны от опоры можно натягивать с различным тяжением, тогда анкерная опора будет воспринимать разность тяжения проводов. В этом случае, кроме горизонтальных поперечных и вертикальных нагрузок, на опору будет также воздействовать горизонтальная продольная нагрузка.

При установке анкерных опор на углах (в точках поворота линии) анкерные угловые опоры воспринимают нагрузку также от поперечных составляющих тяжения проводов и тросов.

Концевые опоры устанавливаются на концах линии. От этих опор отходят провода, подвешиваемые на порталах подстанций. При подвеске проводов на линии до окончания сооружения подстанции концевые опоры воспринимают полное одностороннее тяжение проводов и тросов.

Помимо перечисленных типов опор, на линиях применяются также специальные опоры: транспозиционные, служащие для изменения порядка расположения проводов на опорах; ответвительныедля выполнения ответвлений от основной линии, опоры больших переходов через реки и водные пространства и др.

Основным типом опор на воздушных линиях являются промежуточные, число которых обычно составляет 85−90% общего числа опор.

По конструктивному выполнению опоры можно разделить на свободностоящие и опоры на оттяжках. Оттяжки обычно выполняются из стальных тросов.

На воздушных линиях применяются деревянные, стальные и железобетонные опоры. Разработаны также опытные конструкции опор из алюминиевых сплавов.

1. Провода и грозозащитные тросы. Общие сведения

На воздушных лилиях электропередачи подвешиваются голые (неизолированные) провода, состоящие из одной или нескольких проволок. Провода из одной проволоки, называемые однопроволочными, имеют меньшую прочность и применяются, как правило, на линиях напряжением до 1000 В. Многопроволочные провода, свитые из нескольких проволок, используются на линиях всех напряжений.

К материалу проводов воздушных линий предъявляются следующие основные требования.

1. Материал проводов должен иметь высокую электрическую проводимость. Из металлов, которые могут быть использованы для изготовления проводов, на первом месте по проводимости стоит медь, затем бронза и алюминий, сталь имеет значительно более низкую электрическую проводимость.

Удельное электрическое сопротивление меди при + 20 °C составляет 0,0178•10^-6 Ом/м (0,0178 Ом•мм²/ м), алюминия 0,0283•10^-6 Ом/м (0,0283 Ом-мм²/м). Таким образом, для обеспечения одинаковой проводимости алюминиевые провода должны иметь сечения, в 1,6 раза большие, чем медные. Алюминиевые провода, имеющие такую же проводимость, как и медные меньшего сечения, называются эквивалентными по проводимости. При объемной массе меди 8,9 кг/дм³ и алюминия 2,7 кг/дм³ масса алюминиевых проводов составляет около 50% массы медных проводов такой же проводимости. Это соотношение является одной из причин экономичности применения алюминиевых проводов на линиях электропередачи.

2. Провода и тросы должны быть выполнены из металла, обладающего достаточной прочностью. По механической прочности на первом месте стоит сталь. Стальные проволоки, применяемые для изготовления проводов и тросов, имеют предел прочности (временное сопротивление) 65—70 даН/мм² (кгс/мм²) или120—134 даН/мм²; в зарубежной практике используются стальные проволоки еще большей прочности — до 150 даН/мм². Бронзовые, проволоки отечественного производства имеют прочность 54 да Н/мм², медные 38−43 даН/мм², алюминиевые—16 19 даН/мм².

3. Материал проводов и тросов должен выдерживать атмосферные воздействия. В этом отношении наибольшей стойкостью обладают медные и бронзовые провода: провода из алюминия корродируют на морских побережьях, где в воздухе содержатся соли морской воды, а также в районах около химических заводов с наличием в воздухе щелочей. Для защиты алюминиевых проводов от коррозии в этих условиях освоены специальные смазки, а также специальные конструкции проводов, описываемые ниже в § 1.2.

Стальные провода коррозируют даже в нормальных атмосферных условиях, поэтому для придания стальным проволокам необходимой стойкости их покрывают слоем цинка.

При своих высоких качествах — хорошей проводимости, большой механической прочности и коррозионной стойкости — медь как материал для проводов воздушных линий является дорогой и дефицитной. Поэтому в настоящее время медные провода, как правило, не применяются на воздушных линиях.

Основными металлами, используемыми для изготовления проводов линий электропередачи, являются алюминий и сталь. При этом в ряде случаев целесообразно сочетать хорошую электрическую проводимость алюминия и высокую механическую прочность стали, изготовляя сталеалюминиевые провода, свитые из стальных и алюминиевых проволок. Такие провода называются комбинированными.

Кроме однородных металлов, для изготовления проводов воздушных линий можно использовать сплавы, из которых в первую очередь следует назвать бронзу и алдрей.

Бронза, являющаяся сплавом меди с оловом, кадмием и магнием, применялась для изготовления проводов большой прочности, подвешиваемых па больших переходах. В настоящее время вместо бронзовых и сталебронзовых проводов на больших переходах, как правило, подвешиваются сталеалюминиевые провода повышенной прочности.

Алдрей, являющийся сплавом алюминия с незначительными количествами (доли процента) железа и кремния, по электрической проводимости уступает алюминию примерно на 15%, а по механической прочности (30 даН/мм²) значительно превосходит алюминий. Разработан сплав АВ-Е типа алдрей, из которого изготовляются термообработанные проволоки и провода марки АЖ, а также провода марки АН без термообработки с пределом прочности 22 даН/мм²

В отдельных случаях для изготовления проводов применяются проволоки из слоен двух металлов: стали и меди или стали и алюминия; такие проволоки и изготовленные из них одноили многопроволочные провода называются биметаллическими. В отличие от комбинированных проводов, в которых часть проволок состоит из одного металла, например из стали, а часть — из другого металла, например из алюминия, в биметаллических проводах все проволоки одинаковы и состоят из двух металлов, прочно соединенных друг с другом в процессе производства проводок. В этих проволоках средняя часть обычно состоит из стали, а наружная — из меди или алюминия. Биметаллические провода имеют высокую стойкость против коррозии.

Отметим, что проволоки из одного металла, а также изготовленные из них провода называются монометаллическим.

2. Конструкции проводов и тросов

Однопроволочные провода. Согласно ПУЭ на линиях напряжением до 1000 В допускается применение однопроволочных стальных проводов диаметром не менее 4 мм и не более 5 мм. Для ответвлений от линии к вводам в здания допускается применение проводов диаметром 3 мм. Ограничение минимального диаметра обусловлено тем, что провода меньшего диаметра имеют недостаточную прочность.

Рис. 1.1 Многопроволочные провода Наибольшие диаметры ограничены из-за того, что изгибы однопроволочного провода большего диаметра могут вызвать в его внешних слоях такие остаточные деформации, которые приводят к существенному снижению его прочности. Биметаллические провода марки БА состоят из стали, покрытой слоем меди, причем содержание меди по массе может колебаться в пределах 45−50% общей массы биметаллической проволоки. Согласно ПУЭ допускается применение однопроволочных биметаллических проводов сечением не менее 10 мм² и диаметром не более 6,5 мм.

Многопроволочные провода. Скрученные из нескольких проволок, эти провода обладают большой гибкостью; они могут быть выполнены любого необходимого сечения. Диаметры отдельных проволок и их число подбирают так, чтобы сумма поперечных сечении отдельных проволок дала требуемое общее сечение провода.

Как правило, многопроволочные провода изготовляются из круглых проволок, причем в центре помешаются одна, дне, три или четыре проволоки одинакового диаметра. Наиболее распространены конструкции с одной центральной проволокой (рис. 1.1, а); провода с тремя свитыми вместе центральными проволоками (рис. 1.1, б) применяются в случаях, когда желательно увеличить диаметр провода.

На центральную проволоку (или проволоки) навивается один или несколько концентрических повивов (слоев) проволок в зависимости от требуемого сечения провода. При одной проволоке центре и равном диаметре всех проволок первый повив имеет шесть проволок, а каждый последующий на шесть проволок больше, чем предыдущий. Таким образом, при одном повиве провод состоит из 7, при двух повивах из 19, при трех нов ивах из 37 проволок. Все проволоки одного повива должны иметь одинаковый диаметр, диаметры проволок отдельных повивов могут быть различными.

После скрутки каждая проволока, кроме одной — центральной, располагается по винтовой линии. Высота подъема винтовой линии при ее обороте вокруг оси провода называется шагом скрутки. Шаг скрутки можно выражать в миллиметрах, более удобно определять шаг скрутки отношением cm длины к диаметру окружности, проведенной из центра провода по центрам проволок, составляющих соответствующий повив. Это отношение называется кратностью шага скрутки. В конструкциях отечественных проводов шаг скрутки внутренних повивов принимается не более 18, наружного повива — не более 15. В проводах, имеющих несколько повивов, кратность шага скрутки любого повива не должна быть более кратности шага скрутки предыдущего повива, считая от оси провода. Для придания проводу круглой формы и для предотвращения его раскручивания смежные повивы скручиваются в противоположных направлениях, причем наружному повиву дают правое направление.

Скрученные проволоки, естественно, имеют несколько большую длину, чем длина провода, измеренная по его оси. Это обстоятельство вызывает увеличение физической массы провода по сравнению с теоретической, которая получается при умножении сечения провода на длину и объемную массу. Формула для расчета массы провода в зависимости от числа проволок дана в ГОСТ 839–74. Во всех расчетах принимаются фактические массы проводов (без смазки), указанные, в соответствующих стандартах.

Скрутка влияет также на разрывную прочность провода: прочность многопроволочного провода всегда меньше суммы прочностей отдельных проволок, из которых свит данный провод.

Разрывное усилие многопроволочного алюминиевого или медного провода рассчитывают по формуле

(1−1)

где р — разрывное усилие одной проволоки по соответствующему стандарту;

а — коэффициент, учитывающий сращивание отдельных проволок и разброс их механических характеристик. При числе проволок в проводе не более 37 коэффициент a=0,95, при большем числе проволок a — 0,90.

Разрывное усилие многопроволочного сталеалюминиевого провода определяют по формуле

(1−2)

где р_а — разрывное усилие одной алюминиевой проволоки, определяемое по ГОСТ 6132–71; b — коэффициент, принимаемый равным 0,92 для проводов с однопроволочным стальным сердечником и шестью алюминиевыми проволоками и 1,0 для проводов всех остальных конструкций;

— усилие в одной стальной проволоке при удлинении на 1%;

с — коэффициент, принимаемый равным 1,0 при одной проволоке в сердечнике, 0,92 — при семи и 0,95 — при числе проволок в сердечнике больше 7.

Провода и тросы изготовляются в соответствии с требованиями действующих стандартов. Основным стандартом на многопроволочные алюминиевые и стале-алюминиевые провода является ГОСТ 839–74, согласно которому изготовляются провода следующих основных марок: А — алюминиевые; АС — сталеалюминиевые.

В ГОСТ 839–74 включены также медные провода марки М, которые в настоящее время на воздушных линиях не применяются и поэтому ниже не рассматриваются.

Для всех проводов приняты условные обозначения, состоящие из буквенной и цифровой части; буквы указывают материал провода (А — алюминиевый, АС — сталеалюминиевый). Добавляемые к этим обозначениям буквы КП показывают, что межпроволочное пространство всего провода, за исключением наружной поверхности, заполнено нейтральной смазкой, защищающей провод от коррозии. Таким образом, марка АКП обозначает алюминиевые провода повышенной коррозионной стойкости.

Сталеалюминиевые провода выпускаются также марки АСКС — с заполнением смазкой межпроволочного пространства стального сердечника и марки АСК — с изоляцией стального сердечника двумя лентами из полиэтилентерефталатной пленки. Эти провода имеют также повышенную стойкость против коррозии, но в меньшей степени чем провода АСКП.

Прежние обозначения проводов АСО и АСУ — сталеалюминиевые облегченной и усиленной конструкции — отменены.

Отношения сечений алюминиевой и стальной частей провода обозначается дробной цифровой частью марки, числитель которой показывает сечение алюминиевой части, а знаменатель — сечение стального сердечника (с округлением) в квадратных миллиметрах. Так, например, АС 150/24 обозначает сталеадюминиевый провод с сечением алюминиевой части 149 мм³ и стального сердечника 24,2 мм².

Дли изготовления алюминиевых и сталеалюминиевых проводов применяется алюминиевая проволока марки AT или АТп по ГОСТ 6132–61; провода с государственным Знаком качества изготавливаются только из проволоки марки АТп, имеющей несколько большую прочность.

Конструкции алюминиевых и стальных проводов показаны на рис. 1−2. сталеалюминиевых марки АС — на рис. 1−3, 1−4 и 1−5.

Сталеалюминиевые провода. Как показывает рис. 1−3, сталеалюминиевые провода сечением до 95 мм² включительно выполняются с однопроволочным стальным сердечником и одним повивом алюминиевых проволок; отношение сечений алюминия (А) и стали (Q в проводах этих марок принято равным 6.

Провод сечением 95 мм² АС 95/15, а также провода сечением 120—400 мм² изготовляются при отношении сечений 6,11—6,25 с многопроволочным стальным сердечником и двумя алюминиевыми повивами (см. рис- 1−3). По ГОСТ 839–59 эти провода обозначались маркой АС Сталеалюминиевые провода облегченной конструкции с отношением сечений алюминия и стали 7,71—8,04 (прежнее обозначение АСО) показаны на рис. 1−4. Сердечник проводов этой конструкции многопроволочный, число алюминиевых повивов—два или три.

В проводах усиленной конструкции (прежнее обозначение АСУ) сечение стального сердечника составляет около ¼, 3 сечения алюминия. Провода этих марок изготовляются в ограниченном диапазоне сечений — от 120 до 400 мм² — с многопроволочным стальным сердечником, алюминиевая часть состоит из двух повивов.

Для больших переходов предназначены провода специальной усиленной конструкции (прежнее обозначение АСУС) с отношением сечений алюминия и стали 1,46; такие провода выпускаются трех марок: АС 185/128, АС 300/204 и АС 500/336. Кроме того, выпускаются особо прочные провода АС 70/72 и АС 95/141, в которых больше стали, чем алюминия; эти провода применяются в качестве грозозащитных тросов, используемых для связи.

В ГОСТ 839–74 включены также три марки сверхоблегченных проводов I отношением алюминия и стали от 12,22 до 18,09.

Ниже в качестве примера дано сравнение сталеалюминиевых проводов марок АС 300/39, AC 300/48, АС, 300/66 и АС 300/204:

Сравнение показывает, что при почти одинаковом сечении алюминиевой части сечения стальной части резко отличаются друг от друга, что влияет на массу провода и его прочность, определяющую область его применения.

Рис. 1.2

Стальные провода и тросы. Стальные провода марки ПС изготовляются по ТУ 14−4-661−75. Некоторые конструкции показаны на рис. 1.2.

Стальные тросы (канаты), применяемые на линиях электропередачи в качестве грозозащитных, а также в качестве оттяжек опор, выпускаются по ГОСТ 3062–69, ГОСТ 3063–66 и ГОСТ 3064–66. Канаты изготовляются из оцинкованной и неоцинкованной проволоки. На воздушных линиях применяются только раскручивающиеся тросы из проволоки марки «1», оцинкованной по группе ЖС (для жестких условий работы). Согласно указанным ГОСТ, стальные канаты обозначаются буквами ТК, за которыми следует цифра, означающая диаметр каната.

Провода с гладкой наружной поверхностью, освоенные в зарубежной практике для предотвращения пляски проводов на больших переходах, состоят из стального сердечника и внутреннего алюминиевого повива из круглых проволок, т. е. имеют обычную конструкцию. Наружный повив выполнен из фасонных проволок, соединенных в замок. Таким образом получается провод с гладкой цилиндрической наружной поверхностью. Пляска проводов на больших переходах не наблюдалась, поэтому освоение конструкции проводов с гладкой наружной поверхностью не намечается.

Область применения многопроволочных проводов различных марок определяется ПУЭ для линий напряжением до 35 кВ включительно из условий механической прочности, а для линий напряжением 110 кВ и выше — из условий потерь на корону. (Табл. 1.1)

Таблица 1.1

Наименьшие сечения многопроволочных проводов, мм², на линиях различных напряжений

На линиях 330 кВ рекомендуется применять расщепленные провода, но менее 2 х АС 240/39 или одиночные АС 600/72, на линиях 500 кВ — только расщепленные не менее 3 X АС 300/66 и 2 АС 700/85.

На линиях 750 кВ, не охваченных ПУЭ, применяются расщепленные провода 4 X АС 400/93, 5 X АС 240/56. 5 X АС 300/39 и др.

По области применения проводов с различным отношением сечений алюминия и стали ПУЭ дают следующие рекомендации:

1. Провода с отношением, А: С = 6 (б. АС) — сечением не более 185 мм² в районах с толщиной стенки гололеда до 20 мм включительно.

2. Провода с отношением, А: С=8 (б. АСО) — сечением 240 мм² и более — при толщине стенки гололеда до 20 мм.

3. Провода с отношением. А: С = 4 (б. АСУ) — при толщине стенки гололеда более 20 мм.

4. Провода с отношением А: С = 1,46 — на больших переходах через реки и водные прегради с пролетами более 600

На пересечениях (переходах) с различными инженерными сооружениями — линиями связи, железными и шоссейными дорогами и т. д.— необходимо обеспечить более высокую надежность воздушных линий. Поэтому согласно ПУЭ минимальные сечения проводов в пролетах пересечений должны быть увеличены.

Соответствующие значения приводятся в табл. 1−2.

Грозозащитные тросы могут применяться сечением не менее 35 мм².

По установившейся практике на воздушных линиях 35 кВ подвешиваются тросы сечением 35 мм², на линиях 110 и 150 кВ — 50 мм², а на линиях 220 кВ и выше — 70 мм².

В пролетах пересечений с инженерными сооружениями. не указанными в таблице, например с автомобильными дорогами, трамвайными и троллейбусными линиями, допускается применение проводов таких же сечений как на линиях без пересечений. На линиях напряжением 6−10 кВ и ниже с толщиной стенки гололеда до 10 мм в ненаселенной местности допускается применять однопроволочные стальные провода.

Таблица 1.2

Наименьшие сечения проводов, мм², на линиях без пересечений и на переходах

*В районах с толщиной стенки гололеда 15 мм и более — 35 мм².

** На пересечениях с железными дорогами применение алюминиевых проводов не допускается.

*** Допускается подвеска стальных грозозащитных тросов.

провод климатический напряжение провес

3. Расчетные климатические условия. Ветровые и гололедные нагрузки. Влияние температуры

Согласно ПУЭ расчет проводов, тросов, изоляторов и арматуры воздушных линий производится по методу допускаемых напряжений. В расчетах по этому методу принимаются нагрузки, соответствующие, условиям эксплуатации линии, называемые нормативными.

Расчет опор и фундаментов производится по методу предельных состояний. По этому методу принимаются нагрузки, называемые расчетными, получаемые путем умножения нормативных нагрузок на коэффициенты перегрузки.

В настоящей главе, касающейся проводов и тросов, а также в главе второй, посвященной изоляторам и арматуре, т. е. элементам линии, рассчитываемым по методу допускаемых напряжений при воздействии нормативных нагрузок, рассматриваются только нормативные нагрузки, называемые в дальнейшем просто нагрузками.

Для обеспечения надежной работы воздушных линий в расчетах конструкций необходимо учитывать скорости ветра, гололедно-изморозевые отложения и температуры воздуха в зоне трассы сооружаемой линии.

Согласно ПУЭ-76 для определения нормативных нагрузок следует принимать наиболее неблагоприятные сочетания климатических условий, наблюдаемые не реже 1 раза в 5 лет для линий напряжением 3 кВ и ниже, 1 раза в 10 лет для линий 110—330 кВ и 1 раза в 15 лет для линий 500 кВ. Увеличение периодов повторяемости по мере повышения напряжения линий объясняется требованием большей надежности линий более высоких напряжений. Опыт эксплуатации показал, что этот способ обеспечивает достаточную надежность линий.

Многолетние наблюдения метеостанций позволили собрать данные по скорости ветра и гололедообразованиям и составить соответствующие карты климатического районирования. Поэтому при выборе расчетных климатических условий для проектирования воздушных линий следует пользоваться картами, уточняя эти условия в случаях необходимости, например при наличии участков с микроклиматом.

Ветровал нагрузка на поверхность пропорциональна не скорости ветра, а квадрату скорости ветра. При определении ветровых нагрузок в расчетах удобно принимать величину даН/м² (кгс/м²), называемую скоростным напором.

Значения максимальных скоростей ветра v и нормативных скоростных напоров, наблюдаемых в семи районах на высоте до 15 м над поверхностью земли при повторяемости I раз в 5, 10 и 15 лет, даны в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Нормативные скоростные напоры, даН/м², и приближенные скорости ветра, м/с, для высоты до 15 м над поверхностью земли

Для воздушных линий, проходящих в застроенной местности, приведенные в табл. Щ значения скоростных напоров могут быть снижены на 30% (скорости ветра — на 16%) при условии, что средняя высота окружающих зданий составляет не менее 2/3 высоты опор.

С другой стороны, для участков линий, открытых для сильных петров (высокий берег большой реки, прибрежная полоса больших озер и водохранилищ в пределах до 3—5 км, резко выделяющиеся над окружающей местностью возвышенности), при отсутствии наблюдений следует увеличивать скоростной напор на 40% (скорость ветра — на 18%) по сравнению со значениями, принятыми для данного района.

Скорость ветра возрастает с увеличением высоты. Ветровая нагрузка на провода и тросы определяется для высоты, соответствующей расположению центра тяжести проводов и тросов в неотклоненном положении. За исключением участков больших переходов через реки, водохранилища и другие водные преграды, высота центра тяжести проводов или тросов воздушной линии определяется для габаритного пролета по формуле:

(1−3)

где h₁, h₂ — высота крепления проводов или троса к изоляторам на опорах, отсчитываемая от отметки земли в местах установки опор, м;

f — наибольшая стрела провеса провода или троса, При негоризонтальном расположении проводов высота центра тяжести проводов принимается для всех проводов одинаковой — равной среднему арифметическому значению высот центров тяжести отдельных проводов.

На специальных переходах через реки и водохранилища высота подвески проводов и тросов отсчитывается от меженного уровня реки или нормального горизонта водохранилища, причем стрелы провеса принимаются по фактическим пролетам.

Для перехода, состоящего из нескольких пролетов, ветровая нагрузка на провода или тросы принимается одинаковой для всех пролетов перехода и определяется для высоты, соответствующей средневзвешенному значению центров тяжести прополов или тросов. Эта высота рассчитывается по формуле:

(1−4)

где l₁, l₂…, ln — длина пролетов, входящих в переход;

h_c1, h_c2,…, h_cn— высота центров тяжести проводов или тросов в каждом из пролетов, отсчитываемая от меженного уровни реки или нормального горизонта водохранилища.

Ветровые нагрузки на провода или тросы определяются путем умножения скоростного напора первой зоны (на высоте до 15 м) на коэффициенты, приводимые в табл. 1.4. Для случаев, когда в расчетах исходят не из скоростных напоров, а из скоростей ветра, в табл. 1.4 даны также коэффициенты увеличения скорости ветра по высоте.

Гололедно-изморозевые отложения на проводах и тросах воздушных линий имеют различную форму и виды. Наблюдаются отложения чистого гололеда, т. е. плотного намерзшего льда, инея и зернистой изморози, мокрот снега, налипающего на провода, а также сочетания отложений различных видов.

Таблица 1.4

Коэффициенты увеличения скоростных напоров и скоростей ветра по высоте

Интенсивность гололедно-изморозевых образований в разных районах различна: в большей части северо-западных и северных районов страны, а также в Средней Азии и Сибири гололедные отложения незначительны; на Западной Украине, в Донбассе, на Северном Кавказе и Закавказье, на Средней Волге, Урале, в горной части Кольского полуострова наблюдаются сильные отложения гололеда.

Наблюдения за интенсивностью гололедообразований производятся на метеостанциях на стержнях диаметром 5 мм, установленных на высоте 2 м над землей. Зарегистрированные гололедообразования взвешиваются и приводятся к эквивалентной массе гололеда круглой цилиндрической формы с плотностью 0.9 кг/дм³; толщина слоя гололеда, т. е. толщина стенки этого цилиндра, и является исходной величиной для определения интенсивности гололедообразований в данном районе.

Толщина стенки гололеда возрастает с высотой и уменьшается при увеличении диаметра провода свыше 10 мм. Поэтому метеостанции регистрируют толщину стенки гололеда с учетом поправочных коэффициентов на диаметр и высоту, определяя толщину стенки для высоты 10 м.

По толщине стенки гололеда вся теория разделена на четыре района гололедности — от 1 до IV и на особые гололедные районы с толщиной стенки более 20 или 22 мм. Границы соответствующих районов даны на карте районирования территории по гололеду, приводимой в ПУЭ.

Нормативная толщина стенки в показанных на карте I—IV районах гололедности принимается в зависимости от повторяемости 1 раз в 5 лет (для линий напряжением до 3 кВ включительно) или 1 раз в 10 лет (для линий 35—330 кВ) по табл. 1.5.

Таблица 1.5

Нормативная толщина стенки гололеда, мм, для высоты 10 м над поверхностью земли

Нормативная толщина стенки гололеда с повторяемостью 1 раз в 15 лет (для линий напряжением 500 к В) должна определяться на основании данных фактических наблюдений я приниматься не менее 10 мм.

Согласно СНиП 11−6-74 «Нагрузки и воздействия», для опор с высотой приведенного центра тяжести проводов более 25 м следует вводить поправочные коэффициенты на толщину стенки гололеда в зависимости от диаметра и высоты. Для проводов и тросов диаметром 5 мм следует принимать поправочный коэффициент 1,1; 10 мм — 1,0; 20 мм — 0,9; 30 мм — 0.8; 50 мм — 0,7; 70 мм — 0,6. Промежуточные значения определяются линейной интерполяцией.

В зависимости от высоты следует вводить в расчеты поправочные коэффициенты: 0,8 при высоте 5 м; 1,0 при 10 м; 1,2 при 20 м; 1,4 при 30 м; 1,6 при 50 м; 1,8 при 70 м и 2,0 при 100 м. Промежуточные значения определяются линейной интерполяцией, причем высота проводов и тросов над землей принимается осредненной — равной высоте расположения их центра тяжести, т. е. так же, как при определении ветровых нагрузок.

Приведенная высота центра тяжести проводов превышает 25 м только на опорах больших переходов. В расчетах проводов и тросов воздушных линий с опорами нормальной высоты принимаются районы no гололеду, определяемые по карте или на основании данных изысканий без введении дополнительных поправок на диаметр и на высоту.

Провода и тросы, подвешенные на воздушных линиях, находятся постоянно под действием вертикальной нагрузки от собственного веса. К этой нагрузке могут добавляться временные нагрузки — вертикальная от гололеда и горизонтальная от ветра. Гололедные отложения распределяются по длине провода не вполне равномерно. Однако при известной условности определения гололедных нагрузок эту нагрузку считают равномерно распределенной по длине провода в рассматриваемом пролете.

Гололед Провод Рис 1.6 Поперечное сечение провода с гололедом Распределение ветрового давления по длине пролета также неравномерно; эта неравномерность, возрастающая при увеличении скорости ветра, учитывается коэффициентом неравномерности «», значение которого принимается в зависимости от скоростного напора. После умножения на этот коэффициент ветровую нагрузку, так же как и гололедную, считают равномерно распределенной по длине пролета.

Равномерно распределенная нагрузка по длине пролета на 1 м длины провода называется единичной нагрузкой и выражается в деканьютонах (даН) или килограмм-силах (кгс) на один метр В технической литературе принято обозначать единичные нагрузки латинской буквой р с соответствующими индексами.

Единичная нагрузка от собственного веса провода. Эта нагрузка обозначается р₁ и принимается по действующим стандартам или техническим условиям, в которых указана масса или вес провода в килограммах на один километр. Для получения единичной нагрузки от собственного веса в килограммах на одни метр следует разделить на 1000 (или умножить на 10^-3) массу или вес, указанные в стандарте.

Единичная нарузка от гололеда. Площадь сечения слоя гололеда с толщиной стенки с на проводе диаметром d (рис. 1.6) определяется по формуле:

Так как диаметр провода и толщина стенки гололеда принимаются в миллиметрах, а единичную нагрузку требуется получить на метр, то плотность гололеда g₀ следует перевести в соответствующие единицы: g₀ = 0,9 кг/дм³ = 0,9- 10^-3 даН/(м*мм²), и единичная нагрузка от веса гололеда в деканьютонах на метр определяется по формуле:

(1.5)

Результирующая единичная весовая нагрузка при гололеде. Эта нагрузка, обозначаемая p_э, равна арифметической сумме единичных нагрузок от собственного веса и гололеда:

(1.6)

Единичная нагрузка от ветра. Ветровое давление на поверхность с площадью F в деканьютонах (килограмм-силах) определяется по формуле:

где Сx — аэродинамический коэффициент (или коэффициент лобового сопротивления), зависящий от плотности воздуха р, от скорости ветра от формы, протяженности и шероховатости обдуваемой поверхности; - угол между направлением ветра и обдуваемой поверхностью.

При нормальном барометрическом давлении и температуре воздуха около + 15 °C коэффициент р = 1/8; при этом значении .

Величина, называемая скоростным напором, принимается в расчетах ветрового давления на элементы воздушных линий без поправок на изменения плотности воздуха. Таким образом, формула приводится к виду:

При вычислении ветровых нагрузок на провода и тросы в эту формулу вводится коэффициент а, учитывающий неравномерность давления ветра по пролету:

(1.7)

Чтобы получить единичную нагрузку в деканьютонах (кило грамм-силах) на один метр при ветре, направленном перпендикулярно оси провода, диаметр которого выражен в миллиметрах, следует подставить в формулу (1−7) значения: F=d•10^-3; sin²ц=1

Таким образом, единичная ветровая нагрузка на провод без гололеда в даН/м (кгс/м) определяется по формуле:

(1.8)

а на провод с гололедом -;

(1.9)

Единичная ветровая нагрузка р₄ на провод без гололеда определяется при наибольшей скорости ветра. v_макс, которой соответствуют нормативные скоростные напоры q. Значения q принимаются по табл. 1.3 или вычисляются ло наибольшей скорости ветра, установленной на основании наблюдений. Согласно СИиП II-6−74 скорости ветра, установленные на основании наблюдений, умножаются на поправочный коэффициент

где v — скорость ветра, м/с.

При расположении центра тяжести проводов на высоте более 15 м эти значения умножаются на коэффициенты увеличения скоростного капора по высоте, указанные в табл. 1−4.

При определении ветровых нагрузок на провода с гололедом следует принимать значения скоростного напора 0,25 q₁ где q — скоростной напор, принятый при определении нагрузки Согласно ПУЭ в районах с толщиной стенки гололеда 15 мм и более значения скоростного напора следует принимать не менее 14 даН/м² (значения скорости ветра — не менее 15 м/с). Согласно ПУЭ в рас-четах ветровых нагрузок на провода принимаются следующие значения аэродинамического коэффициента Сх:1,1—для проводов и тросов диаметром 20 мм и более; 1,2 —для проводов и тросов диаметром менее 20 мм, а также для проводов и тросов любого диаметра, покрытых гололедом. Значения коэффициента неравномерности, а принимаются: 1,0 при скоростном напоре до 27 даН/м² (кгс/м²); 0,85 — при 40 даН/м²; 0,75 — при 55 даН/м²; 0,7 — при 76 даН/м² и более. Промежуточные значения определяются линейной интерполяцией.

Результирующие единичные нагрузке от веса провода (с гололедом или без гололеда), действующего вертикально, и горизонтального ветрового давления (рис. 1.7) складываются геометрически и определяются по формулам: при отсутствии гололеда

(1.10)

при наличии гололеда

(1.11)

Удельные нагрузки. В расчетах проводов удобнее пользоваться не единичными нагрузками, а так называемыми удельными, или приведенными, нагрузками. Эти нагрузки в даН/(м/мм²) или кгс/(м/мм²) получаются путем деления соответствующих единичных нагрузок р на сечение провода F и обозначаются греческой буквой с соответствующими индексами:

(1.12)

Следует отметить, что удельные нагрузки от собственного веса алюминиевых, стальных и сталеалюминиевых проводов приводятся в ПУЭ и поэтому не подлежат расчету (см. табл. 1.7).

Рис. 1.7 Результирующие единичные нагрузки

Температура. При работе проводов в пролете имеют значение следующие температуры, учитываемые в расчетах:

а) высшая температура t_макс, при которой провод растягивается больше всего и стрелы провеса достигают наибольших значений;

б) низшая температура при которой длина провода сокращается в наибольшей степени и температурные напряжения в нем достигают наибольших значений;

в) среднегодовая, соответствующая средним условиям эксплуатации температура при которой определяется надежность работы провода при вибрациях (см. ниже § 1.4);

г) температуры при наибольшей скорости ветра t_ветр и пригололеде t_г как правило. t_ветр и t_г принимаются равными — 5 °C;

д) температура + 15 °C, при которой определяются расстоянияот проводов до тросов и до тела опоры по условиям грозовых перс-напряжений.

4. Критические пролеты линий электропередач. Критическая температура

При проектировании воздушных линий необходимо определять значения напряжений и стрел провеса провода в различных условиях (режимах) его работы. Для решения этих задач зависимость напряжений от нагрузки и температуры выражают в виде уравнения, которое называется уравнением состояния провода:

(1.44)

где l — длина пролета,

— напряжение в низшей точке провода,

— удельная нагрузка;

t₀ — температура;

Емодуль упругости;

— температурный коэффициент линейного удлинения.

С помощью этого уравнения можно найти напряжения в проводе в любых требуемых условиях на основании известных напряжений, нагрузок и температур в начальном состоянии.

При ограничении допускаемых напряжений для трех исходных режимов: при наибольшей нагрузке, при низшей температуре и при среднегодовой температуре, естественно, возникает вопрос, какой из этих режимов следует принимать в качестве исходного при расчете проводов и тросов. Этот вопрос решается путем вычисления так называемых критических пролетов. Для объяснения этого понятия рассмотрим зависимость напряжения от температуры и от нагрузки при малых и больших значениях пролетов.

Предположим, что пролет стремится к нулю (l>0); примем условно его предельное значение l = 0 и подставим это значение в уравнение состояния (1.44):

(1.46)

При малых пролетах вторые члены левой и правой частей уравнения (1−44), в которые входит l², очень малы, и напряжение зависит в основном от изменений температуры. Уравнение показывает также, что наибольшее напряжение в проводе будет при низшей температуре.

Чтобы рассмотреть зависимость напряжения при больших пролетах, разделим все члены уравнения (1.44) на l²

При увеличении значений l члены уравнения, имеющие l² в знаменателе, будут уменьшаться и при l>? обратятся в нули. В этом случае получим:

Решив это уравнение относительно и произведя упрощения, имеем:

(1.47)

.Полученное уравнение показывает, что при больших пролетах напряжение в проводе зависят в основном от нагрузки и достигает максимальных значений при наибольшей нагрузке.

Очевидно, что между малыми пролетами, в которых наибольшие напряжения возникают при низшей температуре, и большими пролетами, в которых максимальные напряжения возникают при наибольшей нагрузке, должен находиться такой пограничный пролет, в котором напряжения достигают допускаемых значений как при низшей температуре, так и при наибольшей нагрузке; такой пролет называется критическим. Понятие критического пролета было пояснено на примере достижения допускаемых напряжений при наибольшей нагрузке и при низшей температуре. В расчетах проводов принято называть этот пролет вторым критическим пролетом и обозначать l_2k.

При пролетах больше критического влияние температуры на напряжение в проводе становится меньше и напряжение при низшей температуре убывает (рис. 1−20). Следовательно, при расчетах напряжения для пролетов больше критического надо исходить из режима наибольшей нагрузки. В пролетах меньше критического напряжение убывает при наибольшей нагрузке поэтому в расчетах проводов для пролетов меньше критического необходимо исходить из режима низшей температуры.

Рис. 1.20 График зависимости напряжения от пролета для монометаллического провода Согласно ПУЭ допускаемые напряжения установлены также для режима среднегодовой температуры (см. табл. 1.6). Таким об разом, можно говорить также о критическом пролете, в котором напряжение в проводе достигает допускаемых значений при низшей и при среднегодовой температурах. Этот пролет называется первым критическим и обозначается l_1k.

Если напряжения и проводе достигают допускаемых значений при среднегодовой температуре и при наибольшей нагрузке, то соответствующий пролет называется третьим критическими обозначается l_3k.

Для вычисления значений критического пролета между любыми режимами I и II необходимо подставить в уравнение состояния провода (1−44) значения напряжений а, нагрузок у и температур t, соответствующие этим режимам: