Расчет и проектирование воздушных линий электропередач

Введение 3

1 Исходные данные 4

2 Определение физико-механических характеристик провода и троса 5

3 Выбор унифицированной опоры 7

4 Расчет проводов и троса на механическую прочность 9

4.1 Определение толщина стенки гололеда и величины скоростного напора ветра 9

4.2 Определение удельных нагрузок на провод и трос 11

4.3 Расчет критических пролетов 13

4.4 Расчет напряжений в проводе 15

4.5 Определение стрелы провеса проводов и троса 17

4.6 Определение напряжений в тросе 18

5 Выбор изоляторов и линейной арматуры 21

6 Расстановка опор по профилю трассы 28

6.1 Построение шаблона 28

6.2 Проверка опор на прочность 31

7 Расчет монтажных стрел провеса провода и троса 34

Заключение 40

Список литературы 41

Введение

Проектирование механической части воздушных линий электропередачи является важной частью проектирования электроснабжения. От правильного выбора элементов ЛЭП зависит долговременная и безопасная эксплуатация линий, и, соответственно, надежное и качественное электроснабжение потребителей.

В данном курсовом проекте рассмотрены основные этапы проектирования механической части воздушных ЛЭП: выбор промежуточных опор, механический расчет проводов и грозозащитного троса, выбор линейной арматуры, произведены расстановка опор по профилю трассы и расчет монтажных стрел провеса.

1 Исходные данные Тип ЛЭП: двухцепная воздушная линия напряжением 110 кВ, проходящая в ненаселенной местности.

Климатические условия:

район по ветру — II;

район по гололеду — IV;

температура:

высшая tmax=40°С;

низшая tmin= -10°С;

среднегодовая tср=5°С.

Тип опор: унифицированные железобетонные.

Марки провода: АС-150.

Марка грозозащитного троса: ТК-50.

Материал изоляторов: фарфор Степень загрязненности атмосферы I.

2 Определение физико-механических характеристик провода и троса Физико-механические характеристики провода и троса приведены в таблицах 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1 — Физико-механических характеристики провода АС-150/24

Таблица 2.2 — Физико-механических характеристики троса ТК-50

3 Выбор унифицированной опоры По исходным данным выбирается тип унифицированной промежуточной опоры ПБ110−8. Основные размеры опоры показаны на рисунке 3.1, технические характеристики опоры приведены в таблице 3.1.

H=26,0 м; h1=3,0 м; h2=13,5 м; h3=4,0 м; a1=2,0 м; a2=3,5 м; a3=2,0 м; b=3,3 м Рисунок 3.1 — Унифицированная железобетонная опора ПБ110−8

Таблица 3.1 — Технические характеристики опоры ПБ110−8

Расчетный пролет, м,

lр=?· lгаб, где ?=0,9 для ненаселенной местности;

lр=0,9· 225=202,5.

4 Расчет проводов и троса на механическую прочность

4.1 Определение толщина стенки гололеда и величины скоростного напора ветра Средняя высота подвеса проводов на опоре, м,

(4.1)

где hi — расстояние от земли до j-ой траверсы опоры, м;

m — количество проводов на опоре;

? — длина гирлянды изоляторов, м.

Для предварительных расчетов длина гирлянды изоляторов принимается для ВЛ 110 кВ 1,3 м.

=16,2.

Средняя высота подвеса троса на опоре, м,

=h2+2· h3+h1, (4.2)

=13,5+2· 4+3=24,5.

Допустимая стрела провеса провода, м,

(4.3)

где h2 — расстояние от земли до нижней траверсы, м;

Г — габаритный размер, м;

=6,2.

Допустимая стрела провеса троса, м,

[fт]= -(Г+2· h3+z), (4.4)

где z — наименьшее допустимое расстояние по вертикали между проводом и тросом в середине пролета, м, для lр=202,5 м z=4;

[fт]=24,5-(6+2· 4+4)=6,5.

Высота приведенного центра тяжести провода и троса, м,

(4.5)

=12;

=20,2

Толщина стенки гололеда для провода и троса, мм,

(4.6)

где С — нормативное значение стенки гололеда, мм, (для 2-го района по гололеду С=10 мм);

— поправочные коэффициенты на высоту и диаметр провода или троса

=9,3;

=10,2.

Скоростной напор ветра на провод и трос, даН/м2,

(4.7)

где q — нормативный скоростной напор ветра, даН/м2;

kВ — поправочный коэффициент;

=65;

=81,25.

4.2 Определение удельных нагрузок на провод и трос Удельная нагрузка от собственного веса, даН/(м•мм2), берется из таблиц 2.1 и 2.2:

3,46· 10−3;

8· 10−3.

Удельная нагрузка от веса гололеда, даН/(м•мм2),

(4.8)

где d — диаметр провода или троса, мм;

F — фактическое сечение провода или троса, мм2;

g0=0,9· 10−3 даН/(м•мм2) — плотность гололедных отложений;

=4· 10−3;

=11,4· 10−3.

Удельная нагрузка от веса гололеда и собственного веса провода (троса), даН/(м•мм2),

(4.9)

· 10−3=7,46·10−3;

· 10−3=19,4·10−3.

Удельная нагрузка от давления ветра при отсутствии гололеда, даН/(м•мм2),

(4.10)

где kl — коэффициент, учитывающий влияние длины пролета на ветровую нагрузку;

kH — коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного напора ветра по пролету;

СХ — коэффициент лобового сопротивления, равный 1,1 — для проводов диаметром 20 мм и более, свободных от гололеда; 1,2 — для всех проводов, покрытых гололедом, и для проводов диаметром меньше 20 мм, свободных от гололеда;

=5,7· 10−3;

=13,1· 10−3.

Удельная нагрузка от давления ветра на провод и трос при наличии гололеда, даН/(м•мм2),

(4.11)

где q?=0,25•qmax для районов с толщиной стенки гололеда до 15 мм;

=4,1· 10−3;

=15,1· 10−3.

Удельная нагрузка от давления ветра и веса провода (троса) без гололеда, даН/(м•мм2),

(4.12)

· 10−3=6,7·10−3;

· 10−3=15,3·10−3.

Удельная нагрузка на провод от давления ветра и веса провода, покрытого гололедом, даН/(м•мм2),

(4.13)

=8,5· 10−3;

=24,6· 10−3.

4.3 Расчет критических пролетов Первый критический пролет, м,

(4.14)

где Е — модуль упругости, даН/мм2;

? — температурный коэффициент линейного удлинения материала провода, град-1;

lk1=.

Выражение под корнем меньше нуля. Первый критический пролет — мнимый.

Второй критический пролет, м,

(4.15)

где tгол — температура гололеда, равная -5?С;

?max=?7;

=80,4.

Третий критический пролет, м,

(4.16)

=144,2.

В результате получается следующее соотношение критических пролетов и расчетного пролета: lк1 — мнимый, lр=202,5 м>lк3=144,2 м.

На основании полученных соотношений определяется исходный режим. Это режим максимальной нагрузки с параметрами: ?=[??.max]=13,0 даН/мм2, ?=?max=8,5· 10−3 даН/(м· мм2), t=tгол=-5°С.

4.4 Расчет напряжений в проводе По уравнению состояния провода рассчитываются напряжения в проводе для режимов среднегодовой температуры — ?tср, режима низшей температуры — ?tmin и наибольшей нагрузки — ??max.

Расчет напряжения в проводе для режима низшей температуры. В уравнение состояния провода подставляются все известные параметры.

(4.17)

.

Полученное уравнение приводится к виду:

Решение полученного уравнения выполняется итерационным методом касательных. В качестве нулевого приближения принимается значение ?0=10 даН/мм2.

Производная полученной функции y=:

y'=3· ?2tmin-2·7,766·?tmin

Определяется поправка на первой итерации:

?1=y (?0)/y'(?0),

=0,378.

Новое значение напряжения:

?1=?0-?1,

?1=10−0,377=9,623.

Проверка итерационного процесса. Для этого задается точность расчета ?=0,01 даН/мм2.

0,377>0,01,

следовательно расчет нужно продолжить, приняв в качестве нового приближения ?=9,623.

Поправка на второй итерации:

=0,025.

Новое значение напряжения:

?2=9,623−0,025=9,598.

Выполняется проверка:

0,025>0,01.

Поправка на третьей итерации:

=0,13.

Проверка:

0,13<0,01,

следовательно за искомое выражение? tmin принимаем ?3:

?tmin=9,598 даН/мм2.

Расчеты напряжений в проводе для режимов среднегодовой температуры и наибольшей нагрузки выполняются с помощью программы «MERA2». В результате получены следующие значения:

?tср=7,987 даН/мм2;

??max=12,517 даН/мм2.

Выполняется проверка условий механической прочности:

?tср?[?tср], 7,987<8,7;

?tmin?[?tmin], 9,598<13,0;

??max?[??max], 12,517<13,0.

Условия выполняются, значит механическая прочность проводов будет достаточной для условий проектируемой линии.

По уравнению состояния провода выполняются расчеты напряжений для режимов гололеда без ветра -?гол, высшей температуры — ?tmax, грозового режима — ?гр. Результаты расчетов следующие:

?tmax=5,475 даН/мм2;

?гол=12,277 даН/мм2;

?гр=7,129 даН/мм2.

4.5 Определение стрелы провеса проводов и троса Определяются стрелы провеса проводов в режиме гололеда без ветра, высшей температуры и грозовом режиме, м,

(4.18)

=3,24;

=3,11;

=2,49.

Проверка соблюдения требуемых расстояний от низшей точки провисания провода до земли по условию:

f?[f]=6,2;

ftmax=3,24<6,2;

fгол=3,11<6,2.

Условия выполняются, значит расстояние от провода до земли будет не менее габаритного размера.

Стрела провеса грозозащитного троса в грозовом режиме, м,

(4.19)

=2,79.

4.6 Определение напряжений в тросе Напряжение в тросе в грозовом режиме, даН/мм2,

(4.20)

=14,7.

В качестве исходного принимается грозовой режим с параметрами: ?тгр, ?т1, t=15°C. По уравнению состояния провода определяются напряжения в тросе для режимов максимальной нагрузки, низшей и среднегодовой температуры.

Расчет напряжения в тросе для режима среднегодовой температуры. В уравнение состояния провода подставляются все известные параметры.

.

Полученное уравнение приводится к виду:

.

В качестве нулевого приближения принимается значение ?0=16 даН/мм2.

Производная полученной функции

y=:

y'=3· ?т2tср-2·6,979·?тtср Определяется поправка на первой итерации:

?1=y (?0)/y'(?0),

=0,225.

Новое значение напряжения:

?1=?0-?1,

?1=16−0,225=15,775.

Проверка итерационного процесса, ?=0,01 даН/мм2.

0,225>0,01,

следовательно расчет нужно продолжить, приняв в качестве нового приближения ?=15,775

Поправка на второй итерации:

=0,003.

Проверка:

0,003<0,01,

следовательно за искомое выражение? тtср принимаем ?1:

?тtср=15,775 даН/мм2.

В результате расчетов остальных режимов получены следующие значения:

?т?max=31,476 даН/мм2;

?тtmin=17,606 даН/мм2.

Проверка условий механической прочности троса:

?т?max=31,476 даН/мм2? [?т?max]=60 даН/мм2;

?тtmin=17,606 даН/мм2? [?тtmin]=60 даН/мм2;

?тtср=15,775 даН/мм2? [?тtср]=42 даН/мм2.

Условия выполняются, значит выбранный провод пригоден для условий проектируемой линии.

5 Выбор изоляторов и линейной арматуры Тип изолятора выбирается по механической нагрузке с учетом коэффициента запаса прочности, который представляет собой отношение разрушающей электромеханической нагрузки к нормативной нагрузке на изолятор. Согласно ПУЭ, коэффициенты запаса прочности в режиме наибольшей нагрузки должны быть не менее 2,7, а в режиме среднегодовой температуры — не менее 5,0.

В нормальных режимах поддерживающая гирлянда изоляторов воспринимает осевую нагрузку, состоящую из веса провода, гололеда и веса самой гирлянды.

Нагрузка для изоляторов поддерживающих гирлянд, даН,

2,7· (Gг+Gи)? Gэм,

5,0· (Gп+Gи)?Gэм, (5.1)

где Gг — нагрузка на изолятор от веса провода, покрытого гололедом, даН,

Gг=?7· F·lвес, (5.2)

где lвес=280 м — длина весового пролета;

F — общее фактическое сечение провода, мм2;

Gи — нагрузка на изолятор от веса гирлянды, даН, предварительно Gи=50 даН;

Gп — нагрузка на изолятор от веса провода, даН,

Gп=?1· F·lвес, (5.3)

Тогда

2,7· (?7· F·lвес+ Gи)=2,7· (8,5·10−3·173,2·280+50)=1248;

5,0· (?1· F·lвес+ Gи)=5,0· (3,46·10−3·173,2·280+50)=1089.

Выбирается изолятор с такой разрушающей электромеханической нагрузкой, чтобы выполнялись условия (5.1). Выбирается изолятор ПФ70-В с разрушающей электромеханической нагрузкой 7500 даН:

1248<7500;

1089<7500,

т.е. условия выполняются.

Определяется число изоляторов в поддерживающей гирлянде,

n?, (5.4)

где ?эф — нормированная удельная эффективная длина пути утечки. Для степени загрязненности атмосферы I? эф=13 мм/кВ;

Uнаиб=1,15· Uном;

lэф — эффективная длина пути утечки, мм,

lэф=lут/k, (5.5)

где lут =355 мм для выбранного изолятора;

k — поправочный коэффициент,

k=, (5.6)

где D — диаметр тарелки изолятора, D=270 мм;

k==1,157;

lэф=355/1,157=306,8;

n?=5,4.

Полученное значение округляется до шести и увеличивается на один. В итоге число изоляторов в поддерживающей гирлянде равно семи.

При выборе изоляторов натяжных гирлянд в условия (5.1) добавляется величина тяжения провода.

Нагрузка на изолятор натяжной гирлянды, даН,

(5.7)

=5894,

=6949.

Выбирается изолятор ПФ70-В с разрушающей электромеханической нагрузкой 7500 даН:

5894<7500;

6949<7500,

т.е. условия выполняются.

Число изоляторов в натяжной гирлянде принимается на один больше, чем в поддерживающей, т. е. восемь штук. Выбор арматуры аналогичен выбору изоляторов. Коэффициент запаса прочности для условий гололеда должен быть не менее 2,5. Нагрузка на арматуру поддерживающей гирлянды, даН,

2,5· (Gг+Gи)? Gр, (5.8)

2,5· (8,5·10−3·173,2·280+50)=1156.

Выбирается узел крепления гирлянды к траверсе опоры КГП-7−1, серьгу СР-7−16, ушко У1−7-16 с разрушающей минимальной нагрузкой 70 кН; глухой поддерживающий зажим ПГН-3−5 с минимальной разрушающей нагрузкой 25 кН.

Нагрузка на арматуру натяжной гирлянды, даН,

(5.9)

=5457.

Для натяжной гирлянды выбирается та же арматура что и для поддерживающей. Для натяжной гирлянды выбираем болтовой зажим.

Изолятор и линейная арматура изображены на рисунках 5.1−5.5.

Рисунок 5.1 — Изолятор ПФ70-В Рисунок 5.2 — Узел крепления КГП-7−1

D=16 мм; А=17 мм; d=16 мм; L=80 мм; Н1=32 мм; Н=82 мм Рисунок 5.3 — Зажим поддерживающий ПГН-3−5

L=220 мм; А=20 мм; Н=66 мм Рисунок 5.4 — Серьга СР-7−16

D=17 мм; d=16 мм; А=65 мм; b=16 мм Рисунок 5.5 — Ушко У1−7-16

D=17 мм;D1=19,2 мм; b=16 мм; Н=104 мм Фактический вес поддерживающей гирлянды, даН,

(5.10)

где Gиз — вес одного изолятора, даН;

Gарм — суммарный вес элементов арматуры, даН;

=37,81.

Фактическая длина поддерживающей гирлянды, м,

(5.11)

где Низ — высота одного изолятора, м;

Нарм — суммарная высота элементов арматуры, м;

=1,339.

Получили ?гир.ф =1,339 больше, чем принятое в расчетах ?=1,3.

Проверка соблюдения габарита.

Пересчитанная допустимая стрела провеса, м,

=6,161.

Проверка соблюдения требуемых расстояний от низшей точки провисания провода до земли по условию:

f?[f]=6,161,

ftmax=3,24<6,161.

Условие соблюдается, т. е. такая длина гирлянды допустима.

Защита от вибрации осуществляется с помощью гасителей вибрации, представляющих собой два груза, закрепленных на стальном тросике (рисунок 5.6).

Рисунок 5.6 — Гаситель вибрации ГПГ-1,6−11−400/21

d=11 мм; 2R=21 мм; L=400 мм; H=78 мм Выбор гасителя вибрации осуществляется с учетом марки и сечения провода. Выбирается гаситель вибрации ГПГ-1,6−11−400/21. Для грозозащитного троса гаситель вибрации не требуется, так как? тtср<18,0 даН/мм2.

Расстояние от зажима до места крепления виброгасителя, мм,

(5.12)

где d — диаметр провода, мм;

Gп — вес одного метра провода, даН;

=1067,4 мм?1,07 м.

6 Расстановка опор по профилю трассы

6.1 Построение шаблона На заданном профиле трассы расстановка опор производится с помощью специальных шаблонов. Шаблон представляет собой три кривые провисания провода, сдвинутые относительно друг друга, построенные в виде парабол для режима, при котором возникает наибольшая стрела провеса. В п. 4.5 была определена максимальная стрела провеса, которая соответствует режиму максимальной температуры, fmax=3,24 м.

Кривая 1 — кривая провисания нижнего провода — строится на основе формулы стрелы провеса:

(6.1)

где ?fmax, ?fmax — удельная нагрузка и напряжение в проводе в режиме, отвечающем наибольшей стреле провеса. Данная формула представляется в виде уравнения:

y=a· x2, (6.2)

где

; a=.

Для режима максимальной температуры уравнение примет вид:

Для построения кривой 1 в 1-ом квадранте выполняется несколько расчетов, представленных в виде таблицы 6.1.

Таблица 6.1 — Построение кривой 1

Кривая 2, называемая габаритной, сдвинута о вертикали вниз от кривой 1 на расстояние требуемого габарита от земли Г=6 м. Кривая 3 — земляная — сдвинута от кривой 1 вниз на расстояние h2-?гир.ф=13,5−1,339=12,161 м (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 — Построение шаблона Шаблон накладывают на профиль трассы так, чтобы кривая 3 пересекала профиль в месте установки первой анкерной опоры, а кривая 2 касалась его, при этом ось у должна быть строго вертикальной. Тогда другая точка пересечения кривой 3 с профилем будет соответствовать месту установки первой промежуточной опоры. При таком положении шаблона во всех точках пролета габарит будет не меньше допустимого. Аналогично находится место установки второй промежуточной опоры и т. д.

После монтажа анкерного участка в проводах происходит выравнивание напряжения, которое соответствует какому-то условному пролету. Этот пролет называется условным, и его длина, м, определяется из выражения:

(6.3)

где li — фактическая длина i-го пролета в анкерном участке, м;

n — количество пролетов в анкерном участке;

=166.

В результате расчетов получили что lпр отличается от lр на

•100%=18%,

что больше допустимых 5%. В таком случае заново проводится механический расчет, построение шаблона и расстановка опор на трассе. Для данного курсового проекта допускается изменить расстановку опор без проведения повторного механического расчета.

Построение нового шаблона.

Для построения кривой 1 в 1-ом квадранте выполняется несколько расчетов.

Таблица 6.2 — Построение кривой 1

Новая расстановка опор показана на рисунке 6.3.

Приведенный пролет, м,

=132

Проверка:

•100%=20%.

В результате повторного расчета разница между приведенным и расчетным пролетом снова велика. Расчет повторяется до тех пор пока разница между значениями пролетов будет не более 5%.

6.2 Проверка опор на прочность При расстановке опор по профилю трассы все они должны быть проверены на прочность в реальных условиях. Проверка выполняется сопоставлением вычисленных для каждой опоры весового и ветрового пролетов со значениями этих пролетов, указанных в технических характеристиках опоры.

Весовой пролет, м,

(6.4)

где эквивалентные пролеты вычисляются по формулам:

— первый (большой) эквивалентный пролет, м,

(6.5)

— второй (малый) эквивалентный пролет, м,

(6.6),

где l — действительная длина пролета, м;

?h — разность между высотами точек подвеса провода, м;

Смежными эквивалентными пролетами, прилегающими к опоре, могут быть и два больших или два малых эквивалентных пролета. Тогда выражение (6.4) будет иметь вид:

;

или

.

Ветровой пролет, м,

. (6.7)

Расчет для второй опоры.

=108,4;

=206,9;

=157,6;

=141,0.

Для остальных опор расчет сводится в таблицу 6.2.

Таблица 6.2 — Проверка опор на прочность

Таким образом, для каждой опоры выполняются условия

7 Расчет монтажных стрел провеса провода и троса Определяется исходный режим из соотношений трех критических пролетов и приведенного пролета: lк1 — мнимый, lпр=166 м>lк3=144,2 м.

На основании полученных соотношений определяется исходный режим. Это режим максимальной нагрузки с параметрами: ?и=[??.max]=13,0 даН/мм2, ?и=?max=8,5· 10−3 даН/(м· мм2), tи=tгол=-5°С.

Расчет напряжения при монтаже осуществляется с помощью уравнения

. (7.1)

Стрела провеса провода в интересующем пролете lф, м, определяется из выражения

(7.2).

Тяжение провода, даН, рассчитывается по формуле

(7.3)

С помощью уравнения состояния рассчитывается напряжение в проводе при температуре монтажа tmax=40°C и tmin=-10°C.

при tmax=40°C:

.

Полученное уравнение приводится к виду:

.

=5,53 даН/мм2.

Тяжение в проводе, даН,

=957,8.

при tmin=-10°C:

.

Полученное уравнение приводится к виду:

.

=10,74 даН/мм2.

Тяжение в проводе, даН,

=1860,2 даН.

Для наибольшего пролета lmax=194 м и наименьшего пролета lmin=125 м по формуле (7.2) рассчитываются стрелы провеса при максимальной и минимальной температурах, м,

lmax=194 м

=2,94;

=1,52;

lmin=125 м

=1,22;

=0,63.

Расчет при других температурах выполняется аналогично, результаты заносятся в таблицу 7.1.

Стрела провеса провода в габаритном пролете при температуре 15 °C, м,

(7.4)

=2,84.

Исходные данные для троса: ?тгр=14,7 даН/мм2, ?т1=8· 10−3 даН/(м· мм2), t=15°C.

Стрела провеса троса в габаритном пролете в режиме грозы исходя из требуемого расстояния z для габаритного пролета, м,

(7.5)

=3,104.

Определяется величина напряжения в тросе по известной величине fтгр, даН/мм2,

(7.6)

=16,3.

Определяются напряжения в тросе при температуре монтажа из уравнения состояния, принимая в качестве исходного грозовой режим.

(7.7)

Для наибольшего пролета lmax=194 м и наименьшего пролета lmin=125 м рассчитываются стрелы провеса троса, м,

(7.8)

(7.9)

Тяжение в тросе, даН,

(7.10)

Расчет для температуры -10°С.

Полученное уравнение приводится к виду:

.

=20,33 даН/мм2.

Тяжение в тросе, даН,

=988 даН.

Стрела провеса при lmax=194 м, м,

=1,85.

Стрела провеса при lmin=125 м, м,

=0,77.

Расчет при других температурах выполняется аналогично, результаты заносятся в таблицу 7.2.

Таблица 7.1 — Монтажная таблица провода

Таблица 7.2 — Монтажная таблица троса

Монтажные графики для провода и троса изображены на рисунках 7.1 и 7.2.

Рисунок 7.1 — Монтажные графики для провода Рисунок 7.2 — Монтажные графики для троса

Заключение

В данном курсовом проекте были рассмотрены основные этапы проектирования механической части воздушных ЛЭП: выполнены выбор промежуточных опор, механический расчет проводов и грозозащитного троса, выбор линейной арматуры, произведены расстановка опор по профилю трассы и расчет монтажных стрел провеса.

В ходе выполнения данного курсового проекта получены навыки пользования справочными материалами и нормативными документами, а также навыки выполнения самостоятельных инженерных расчетов с привлечением прикладного программного обеспечения персональных компьютеров.

1. Правила устройства электроустановок. — СПб.: Издательство ДЕАН, 2001. — 928 с.

2. Проектирование механической части воздушных ЛЭП. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. — Киров, 2004.-99 с.