Расчет механических нагрузок на провода от внешних воздействий

Вариант 8

№ варианта	Номинальное напряжение воздушной линии, кВ	Длина воздушной линии, км	Марка провода	Количество цепей ВЛ	Местность	Длина пролета, м	t-,°С	t+,°С	tсг,°С
			АС-120		Ханты-Мансийск		-55		-0,8

Исходные данные

Марка провода – АС-120/27.

Длина ВЛ – L = 130 км

Город - Ханты-Мансийск

Район по ветровому давлению – ІІ

Район по гололеду – ІІ

Низшая температура t-,°С = - 55 °C

Высшая температура t-,°С = +25 °C

Среднегодовая температура t_сг,°С = - 0,8 °С

Температура гололедообразования t_г = - 10 °С

 

Расчет механических нагрузок на провода от внешних воздействий

Согласно ПУЭ интенсивность внешних воздействий на конструк­тивные элементы ВЛ принимают исходя из частоты повторяемости наи­больших гололедных и ветровых нагрузок.

Технические данные провода АС-120/27

Таблица 2

Параметры	Проводник	Стальной сердечник	Провод
Сечение, мм2		26,6	142,6
Диаметр, мм	-	6,6	15,5
Масса, кг/мм

 

Нормативное ветровое давление W₀ на высоте 10 м над поверхно­стью земли в IІ ветровом районе принимают равным 500 Па [ПУЭ-7, табл. 2.5.1], а нормативная толщина стенки гололеда b_э в IІ голо­ледном районе составляет 15 мм [ПУЭ-7, табл. 2.5.3].

Постоянная нагрузка

1. Постоянно действующая нагрузка от собственной массы провода:

Р_п = М_п · g · 10^-3 = 554 · 9,8 · 10^-3 = 5,429 Н/м,

где М_п - вес провода;

g = 9,8 м/с - ускорение свободного падения.

2. Удельная действующая нагрузка от собственной массы провода:

Нормативные нагрузки

1. Нормативная гололедная нагрузка на 1 м провода:

где , - коэффициенты, учитывающие изменения толщины стенки гололеда по высоте и в зависимости от диаметра провода [2, п. 2.5.4];

Ь_э - толщина стенки гололеда;

 

d_п - диаметр провода;

ρ = 0,9 г/см3 - плотность льда.

Высоту расположения приведенного центра тяжести проводов над поверхностью земли находят по формуле [2, п. 2.5.54]:

где h_ср - среднеарифметическое значение высоты крепления проводов к изоляторам, м;

f – стрела провисания провода в середине пролета, м.

Примем

где n – количество зон, отсчитываемых от поверхности земли в месте установки опоры;

- высота крепления провода к траверсе.

Согласно техническим характеристикам провода, при среднеэксплуатационной работе линии, провод марки АС-120/27 имеет поперечное сечение проводника 116 мм² и поперечное сечение сердечника 26,6 мм².

Отношение сечений алюминиевой части провода и сечения сталь­ного сердечника провода:

В соответствии с [2, табл. 2.5.7], допустимое напряжение при сред­негодовой температуре для сталеалюминевых проводов сечением 120 и более мм² при А/С от 4,29 до 4,38 = 4,36 мм² составляет σ_сг = 102 Н/мм².

Примем длину пролета l = 350 м.

Стрела провисания провода:

 

 

 

Рис. 1. Чертеж опоры П220-2

 

 

Высота расположения приведенного центра тяжести:

Так как высота расположения центра тяжести больше 25 м, то необходимо уточнить коэффициенты , с помощью метода линей­ной интерполяции.

Согласно [1, п. 2.5.4] при , а при тогда при

Коэффициент k_d = 0,884.

2. Нормативная ветровая нагрузка, действующая на 1 м провода без гололеда:

где - коэффициент, учитывающий неравномерность ветрового дав­ления по пролету BJI, принят равным 0,7 [2, п. 2.5.52];

— коэффициент, учитывающий влияние длины пролета на ветро­вую нагрузку, равный 1 [2, п. 2.5.52];

- коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте в зависимости от типа местности, принят равным 1,31 [2, табл. 2.5.2];

С_х - коэффициент лобового сопротивления, принимаемый равным 1,2 для проводов покрытых гололедом, менее 20 мм [2, п. 2.5.52];

W₀ – нормативное ветровое давление;

F – площадь продольного диаметрального сечения провода.

3. Нормативная ветровая нагрузка, действующая на 1 м провода с гололедом:

где 0,25 · W = W_Г - гололедное ветровое давление;

Ф - угол между направлением ветра и осью ВЛ, принимаем φ = 90°;

F - площадь продольного диаметрального сечения провода.

Н/м

 

Расчетные нагрузки

1. Расчетная гололедная нагрузка на 1 м провода:

где - коэффициент надежности по ответственности, принят равным 1 [1, п. 2.5.55];

- региональный коэффициент, принят равным 1,1 [2, п. 2.5.55];

- коэффициент надежности по гололедной нагрузке, равный 1,3 [2, п. 2.5.55];

- коэффициент условий работы, равный 0,5 [2, п. 2.5.55];

Н/м

2. Удельная гололедная нагрузка:

Н/(м·мм2)

3. Расчетная ветровая нагрузка на 1 метр провод без гололеда:

где - коэффициент надежности по ответственности равен 1 [2, п. 2.5.54];

- региональный коэффициент, принят равным 1,1 [2, п. 2.5.54];

- коэффициент надежности по ветровой нагрузке, равный 1,6 [2, п. 2.5.54];

Н/м

4. Удельная ветровая нагрузка:

Н/(м·мм²)

5. Расчетная ветровая нагрузка на 1 метр провода с гололедом:

Н/м

6. Удельная ветровая нагрузка с гололедом:

Н/(м·мм²)

 

 

Результирующие нагрузки

1. Результирующая нагрузка от веса провода и веса гололеда:

Н/м

Н/(м·мм²)

2. Результирующая нагрузка на провод без гололеда от давления ветра:

3. Результирующая нагрузка на провод с гололедом от давления ветра:

Полученные результаты сведем в таблицу.

Таблица 3

Нагрузки, действующие на провод

Название	Нормативная	Расчетная	Удельная
Постоянно действующая нагрузка от собственной массы провода		5,429	0,38
Гололедная нагрузка, действующая на 1 м провода	12,485	8,927	0,062
Ветровая нагрузка, действующая на 1 м провода без гололеда перпендикулярно	8,803	15,49	0,108
проводу
Ветровая нагрузка, действующая на 1 м
провода с гололедом перпендикулярно	7,565	13,314	0,093
проводу
Результирующая нагрузка 1	-	14,356	0,1
Результирующая нагрузка 2	-	16,414	0,115
Результирующая нагрузка 3	-	19,58	0,137

 

Заключение по расчету нагрузок, действующих на провод: наи­большей нагрузкой является результирующая нагрузка на провод с го­лоледом от давления ветра.

 

 

Вариант 1

Исходные условия – возникновение наибольшей механической удельной нагрузки.

Определим, как измениться напряжение в проводе в зависимости от изменения длины пролета при возникновении наибольшей удельной нагрузки:

Н/мм²

Таким образом, среднеэксплуатационное механическое напряжение в проводе при условии возникновения наибольшей нагрузке будет изменяться в пределах от 42,438 Н/мм до 137,906 Н/мм.

 

Определим значение среднеэксплуатационного механического напряжения, решив неполное кубическое уравнение методом Ньютона:

Таблица 3

Результаты расчета уравнения состояния провода при условии возникновения наибольшей механической нагрузки, даН/мм²

Длина пролета	А	Б	№ итерации
	127,27		137,906	130,802	130,02	130,011
	115,95		130,011	121,695	120,562	120,54
	102,581		120,54	111,524	110,108	110,075
	87,147		110,075	100,799	99,242	99,199
	69,654		99,199	90,243	88,76	88,722
	50,104		88,722	80,661	79,48	79,455
	28,496		79,455	72,68	71,895	71,88
	4,83		71,88	66,509	66,039	66,03
	-20,894		66,03	61,877	61,613	61,612
	-48,67		61,612	58,423	58,276	58,276
	-78,516		58,276	55,817	55,733	55,733
	-110,413		55,733	53,806	53,756	53,756
	-144,369		53,756	52,23	52,199	52,199
	-180,38		52,199	50,965	50,946	50,946

 

Вариант 2

Исходные условия - действует низшая температура окружающей среды. Искомые условия - среднеэксплуатационные:

Таким образом, среднеэксплуатационное механическое напряжение при условии действия низшей температуры будет изменяться в пределах от 69,299 Н/мм² до 153 Н/мм²

Рассчитанные значения механического напряжения при длинах пролетов от 100 до 360 м представлены в табл. 5.

Таблица 5

Результаты расчета уравнения состояния провода при условии установившейся наинизшей температуры окружающей среды, даН/мм²

Длина пролета	А	Б	№ итерации
	67,32		62,299	82,516	76,383	75,476
	66,45		75,476	77,642	77,544	77,544
	65,42		77,544	79,811	79,711	79,711
	64,233		79,711	82,007	81,91	81,91
	62,88		81,91	84,192	84,102	84,101
	61,38		84,101	86,358	86,275	86,275
	59,72		86,275	88,48	88,406	88,406
	57,9		88,406	90,462	90,493	90,493
	55,92		90,493	92,575	92,514	92,514
	53,78		92,514	94,529	94,474	94,474
	51,488		94,474	96,429	96,38	96,38
	49,034		96,38	98,259	98,215	98,215
	46,42		98,215	100,03	99,99	99,99
	43,651		99,99	101,736	101,7	101,7

 

 

Рис. 2. Изменение напряжения в проводе при среднеэксплуатационных условиях в зависимости от длины пролета: 1 – значение напряжения рассчитаны при исходных климатических условиях наибольшей механической нагрузки; 2 – то же, но исходные условия соответствуют установившейся наинизшей температуре окружающей среды

 

Прямая σ_сэ = 102 Н/мм² пересекает зависимость напряжения в проводе от длинны пролета при наибольшей нагрузке в точке при длине пролета 157 м, а зависимость напряжения в проводе от длинны пролета при низшей температуре – при 360 м.

 

 

Так как первый пролет – мнимый, то существует только второй и третий критические пролеты.

l = 350 м > l_2к = 170 м, то расчетным режимом будет второй режим – режим наибольших нагрузок.

Расчет габаритного пролета

При расстановке опор на ровной местности наибольшая возможная длина пролета может быть определена в зависимости от максимальной стрелы провисания, которую можно определить при заданной высоте подвеса провода на опоре, и, минимальном габарите - от низшей точки кривой провисания провода до земли:

где - удельная механическая нагрузка, при которой имеет место наибольшее провисание провода;

- удельная механическая нагрузка, принятая как исходная для расчета провода на прочность;

σ - напряжение в проводе, принятое как исходное для расчета провода на прочность;

Е - модуль упругости;

α - температурный коэффициент линейного расширения;

- температура, принятая как исходная для расчета провода на прочность;

- температура, при которой стрела провеса максимальна;

 

 

Если , то расчеты верны. Длинна весового пролета:

l_вес = 1,25 · 222,148 = 277,68 м

Стрела провисания для габаритного пролета:

Заключение по работе

В процессе работы был произведен расчет механических нагрузок на провода от внешних усилий., а именно постоянная нагрузка. Так же были рассчитаны нормативные и расчетные нагрузки гололеда, ветровой нагрузки и ветро-гололедной нагрузки.

Согласно расчетам основополагающий режим для строительства воздушной линии следует принять режим с максимальной нагрузкой, то есть режим ветровой нагрузки 15,49 Н/м, так как он имеет максимальное расчетное значение.

Была рассчитана стрела провеса при среднегодовой и наийнизшей температуре. Стрела провеса провода имеет наибольшее значение при среднегодовой температуре – 5,7 м.

Были построены зависимости механических напряжений в проводе от длины пролета и шаблон для расстановки опор по профилю трассы.

 

Литература обязательная

1. Бацева Н.Л. Специальные вопросы проектирования электроэнер­гетических систем и сетей: учебное пособие / ПЛ. Бацева. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 254 с.

2. Правила устройства электроустановок. - СПб.: Изд-во ДЕАН, 2001. – 928 с.

3. Справочник по проектированию электроэнергетических сетей / под ред. ДЛ. Файбисовича. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. – 320 с.

4. Гологорский Е.Г. Справочник по строительству и реконструкции линий электропередачи напряжением 0,4-500 кВ/ Е.Г. Гологорский, А.Н. Кравцов, Б.М. Узелков. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. – 344 с.

 

Литература дополнительная

5. Крюков К.П. Конструкция и расчет металлических и железобе­тонных опор линий электропередачи/ К.П. Крюков, Л.И. Курносов, Б.П. Новгородцев. Л.: Энергия: Ленинградское отделение, 1975. – 456 с.

6. Бошнякович А.Д. Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи. - Л.: Энергия: Ленинградское отделение, 1971. – 296 с.

 

Интернет-ресурсы

СТО ТПУ 2.5.01-2006. Система образовательных стандартов. Ра­боты выпускные, квалификационные, проекты и работы курсовые. Структура и правила оформления/ ТПУ [Электронный ресурс]. - Томск, 2006. - Режим доступа:

http://portal.tpu.ru/departments/head/methodic/standart, вход свободный.

 

Вариант 8

№ варианта	Номинальное напряжение воздушной линии, кВ	Длина воздушной линии, км	Марка провода	Количество цепей ВЛ	Местность	Длина пролета, м	t-,°С	t+,°С	tсг,°С
			АС-120		Ханты-Мансийск		-55		-0,8

Исходные данные

Марка провода – АС-120/27.

Длина ВЛ – L = 130 км

Город - Ханты-Мансийск

Район по ветровому давлению – ІІ

Район по гололеду – ІІ

Низшая температура t-,°С = - 55 °C

Высшая температура t-,°С = +25 °C

Среднегодовая температура t_сг,°С = - 0,8 °С

Температура гололедообразования t_г = - 10 °С

 

Расчет механических нагрузок на провода от внешних воздействий

Согласно ПУЭ интенсивность внешних воздействий на конструк­тивные элементы ВЛ принимают исходя из частоты повторяемости наи­больших гололедных и ветровых нагрузок.

Технические данные провода АС-120/27

Таблица 2

Параметры	Проводник	Стальной сердечник	Провод
Сечение, мм2		26,6	142,6
Диаметр, мм	-	6,6	15,5
Масса, кг/мм

 

Нормативное ветровое давление W₀ на высоте 10 м над поверхно­стью земли в IІ ветровом районе принимают равным 500 Па [ПУЭ-7, табл. 2.5.1], а нормативная толщина стенки гололеда b_э в IІ голо­ледном районе составляет 15 мм [ПУЭ-7, табл. 2.5.3].

Постоянная нагрузка

1. Постоянно действующая нагрузка от собственной массы провода:

Р_п = М_п · g · 10^-3 = 554 · 9,8 · 10^-3 = 5,429 Н/м,

где М_п - вес провода;

g = 9,8 м/с - ускорение свободного падения.

2. Удельная действующая нагрузка от собственной массы провода:

Нормативные нагрузки

1. Нормативная гололедная нагрузка на 1 м провода:

где , - коэффициенты, учитывающие изменения толщины стенки гололеда по высоте и в зависимости от диаметра провода [2, п. 2.5.4];

Ь_э - толщина стенки гололеда;

 

d_п - диаметр провода;

ρ = 0,9 г/см3 - плотность льда.

Высоту расположения приведенного центра тяжести проводов над поверхностью земли находят по формуле [2, п. 2.5.54]:

где h_ср - среднеарифметическое значение высоты крепления проводов к изоляторам, м;

f – стрела провисания провода в середине пролета, м.

Примем

где n – количество зон, отсчитываемых от поверхности земли в месте установки опоры;

- высота крепления провода к траверсе.

Согласно техническим характеристикам провода, при среднеэксплуатационной работе линии, провод марки АС-120/27 имеет поперечное сечение проводника 116 мм² и поперечное сечение сердечника 26,6 мм².

Отношение сечений алюминиевой части провода и сечения сталь­ного сердечника провода:

В соответствии с [2, табл. 2.5.7], допустимое напряжение при сред­негодовой температуре для сталеалюминевых проводов сечением 120 и более мм² при А/С от 4,29 до 4,38 = 4,36 мм² составляет σ_сг = 102 Н/мм².

Примем длину пролета l = 350 м.

Стрела провисания провода:

 

 

 

Рис. 1. Чертеж опоры П220-2

 

 

Высота расположения приведенного центра тяжести:

Так как высота расположения центра тяжести больше 25 м, то необходимо уточнить коэффициенты , с помощью метода линей­ной интерполяции.

Согласно [1, п. 2.5.4] при , а при тогда при

Коэффициент k_d = 0,884.

2. Нормативная ветровая нагрузка, действующая на 1 м провода без гололеда:

где - коэффициент, учитывающий неравномерность ветрового дав­ления по пролету BJI, принят равным 0,7 [2, п. 2.5.52];

— коэффициент, учитывающий влияние длины пролета на ветро­вую нагрузку, равный 1 [2, п. 2.5.52];

- коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте в зависимости от типа местности, принят равным 1,31 [2, табл. 2.5.2];

С_х - коэффициент лобового сопротивления, принимаемый равным 1,2 для проводов покрытых гололедом, менее 20 мм [2, п. 2.5.52];

W₀ – нормативное ветровое давление;

F – площадь продольного диаметрального сечения провода.

3. Нормативная ветровая нагрузка, действующая на 1 м провода с гололедом:

где 0,25 · W = W_Г - гололедное ветровое давление;

Ф - угол между направлением ветра и осью ВЛ, принимаем φ = 90°;

F - площадь продольного диаметрального сечения провода.

Н/м

 

Расчетные нагрузки

1. Расчетная гололедная нагрузка на 1 м провода:

где - коэффициент надежности по ответственности, принят равным 1 [1, п. 2.5.55];

- региональный коэффициент, принят равным 1,1 [2, п. 2.5.55];

- коэффициент надежности по гололедной нагрузке, равный 1,3 [2, п. 2.5.55];

- коэффициент условий работы, равный 0,5 [2, п. 2.5.55];

Н/м

2. Удельная гололедная нагрузка:

Н/(м·мм2)

3. Расчетная ветровая нагрузка на 1 метр провод без гололеда:

где - коэффициент надежности по ответственности равен 1 [2, п. 2.5.54];

- региональный коэффициент, принят равным 1,1 [2, п. 2.5.54];

- коэффициент надежности по ветровой нагрузке, равный 1,6 [2, п. 2.5.54];

Н/м

4. Удельная ветровая нагрузка:

Н/(м·мм²)

5. Расчетная ветровая нагрузка на 1 метр провода с гололедом:

Н/м

6. Удельная ветровая нагрузка с гололедом:

Н/(м·мм²)

 

 

Результирующие нагрузки

1. Результирующая нагрузка от веса провода и веса гололеда:

Н/м

Н/(м·мм²)

2. Результирующая нагрузка на провод без гололеда от давления ветра:

3. Результирующая нагрузка на провод с гололедом от давления ветра:

Полученные результаты сведем в таблицу.

Таблица 3

Нагрузки, действующие на провод

Название	Нормативная	Расчетная	Удельная
Постоянно действующая нагрузка от собственной массы провода		5,429	0,38
Гололедная нагрузка, действующая на 1 м провода	12,485	8,927	0,062
Ветровая нагрузка, действующая на 1 м провода без гололеда перпендикулярно	8,803	15,49	0,108
проводу
Ветровая нагрузка, действующая на 1 м
провода с гололедом перпендикулярно	7,565	13,314	0,093
проводу
Результирующая нагрузка 1	-	14,356	0,1
Результирующая нагрузка 2	-	16,414	0,115
Результирующая нагрузка 3	-	19,58	0,137

 

Заключение по расчету нагрузок, действующих на провод: наи­большей нагрузкой является результирующая нагрузка на провод с го­лоледом от давления ветра.