Расчет и проектирование воздушных линий электропередач

2

Содержание

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=26,0м; h1=3,0м; h2=13,5м; h3=4,0м; a1=2,0м; a2=3,5м; a3=2,0м; b=3,3м

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:

=0,00013.

Проверка:

0,00013<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.