Механический расчет воздушных линий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 9. Механический расчет воздушных линий

1. Определение механических нагрузок на провода

механический нагрузка провод напряжение

Воздушная линия должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать механические нагрузки. Для надежной работы проводов, опор и других конструктивных элементов их рассчитывают на механическую прочность.

Механический расчет ВЛ основан на применении некоторых положений дисциплины «Сопротивление материалов», обязательных указаниях Правил устройства электротехнических установок и Строительных норм и правил (СНиП). Он необходим для правильного проектирования электрических сетей.

Для различных напряжений и климатических районов страны разработаны типовые конструкции опор. Поэтому проектирование конструкций опор и механический расчет целесообразны только тогда, когда в типовых проектах отсутствуют опоры для данных условий или когда нет сортамента материалов, предусмотренного этим проектом.

На провода воздушных электрических линий действуют вертикальные (собственный вес провода, вес гололеда, образовавшегося на проводе) и горизонтальные (давление ветра) нагрузки. При их учете принимают некоторые допущения: предполагают равномерное распределение нагрузок по длине провода, нагрузки считают статическими, т.е. неизменными по значению.

Под действием механических нагрузок в материале провода появляются механические напряжения на растяжение. На их значение влияют также напряжения, которые возникают в проводе при уменьшении его длины, с понижением температуры.

Таким образом, для определения нагрузок на провода и механических напряжений в материале необходимо знать климатические условия в районе сооружения линии (толщину слоя льда, скорость ветра, максимальную, минимальную и среднюю температуры).

Наибольшие нормативные значения толщины слоя льда и скоростного напора ветра (vІ/1,6, где v - скорость ветра, м/с) для всех линий напряжением выше 1000В определяют, исходя из повторяемости один раз в 10 лет, а для линий напряжением 3 кВ и ниже - один раз в 5 лет.

Расчетные температуры воздуха принимают по данным фактических наблюдений независимо от напряжения ВЛ и округляют до значений, кратных пяти.

Территория РФ разделена на пять районов, которые отличаются толщиной стенки гололеда (табл.1). Чтобы определить, к какому району относится данная местность, следует пользоваться специальными картами.

Таблица1 - Толщина стенки гололеда на высоте 10 м над поверхностью земли

По скоростным напорам ветра территория РФ разделена на семь районов (табл.2). В указанной таблице в скобках даны скорости ветра, соответствующие приведенным в ней скоростным напорам.

Механические нагрузки на провода принято определять в единицах силы на единицу сечения и единицу длины провода. Их называют удельными механическими нагрузками.

Таблица 2 - Скоростной напор ветра на высоте 15 м

Удельные нагрузки от собственного веса провода, Н/м·ммІ, зависят только от материала, из которого сделан провод , и не зависят от его сечения, т.е.

(1)

где G -вес 1 км провода, Н;

F - сечение провода, ммІ.

Тогда

G=г F,

где г - удельный вес материала провода, Н/ммі.

Подставляя значение G в уравнение 1, имеем

(2)

Для многопроволочных проводов, учитывая конструкцию провода, рекомендуют считать их длину на 2…3% больше , т.е. вводить в уравнения (1) и (2) коэффициент, равный 1,02…1,03.

При температуре окружающего воздуха, близкой к 0єС, с последующим небольшим понижением температуры до -5єС на проводах образуется гололед в виде слоя льда. При температуре ниже -5єС он обычно не удерживается.

Интенсивность образования гололеда зависит от высоты расположения данного места над уровнем моря, наличия незамерзших водоемов, способствующих созданию высокой влажности воздуха, и т.д. в некоторых районах гололед образуется очень интенсивно и его толщина достигает 50 мм. это приводит к большим разрушениям воздушных линий. Их рассчитывают по фактическим условиям, а не по данным таблицы 1.

Пусть провод диаметром d (рис.1) покрыт слоем гололеда толщиной b. Тогда вес гололеда, Н, на проводе длиной 1 м

где - удельный вес гололеда, Н/ммі ( = 0,009 Н/ммі).

Удельная нагрузка от слоя льда, МПа/м,

(3)

Поскольку нагрузки от собственного веса провода и веса гололеда направлены в одну сторону, по вертикали, суммарная удельная нагрузка равна их алгебраической сумме:

(4)

Рисунок 1. Провод, покрытый слоем гололеда

При механическом расчете воздушных линий предполагается, что ветер дует горизонтально.

Из аэродинамики известно, что давление воздушного потока на расположенный в нем цилиндр, Па ось которого перпендикулярна потоку определяют так:

где - коэффициент неравномерности воздушного потока (при скоростном напоре до 270 Па =1,0, при 400 Па - 0,85 и при 550 Па -0,75);

- коэффициент, учитывающий влияние длины пролета на ветровую нагрузку (при длине пролета до 50 м =1,2, при 100 м - 1,1, при 150 м -1,05, при 250 м и более - 1);

- коэффициент лобового сопротивления (принимают для проводов и тросов диаметром 20 мм и более = 1,1, до 20мм и для всех проводов и тросов, покрытых гололедом, - 1,2);

- площадь продольного сечения провода, мІ;

- скоростной напор ветра, Па.

Давление на провод длиной 1 м, Па,

где - диаметр провода, мм.

Удельная нагрузка от давления ветра, МПа/м,

(5)

Скоростной напор ветра в зависимости от района берут из таблицы 2.

При гололеде удельная нагрузка от давления ветра, МПа/м,

(6)

где - скорость ветра при гололеде, м/с.

Скоростной напор принимают 0,25 , но не менее 140 Па при толщине стенки гололеда 15 мм и более.

Поскольку нагрузки от веса и от давления ветра направлены под прямым углом, их складывают геометрически.

Если гололеда нет (рис.2, а), то суммарная удельная нагрузка

(7)

При гололеде (рис.2, б) суммарная удельная нагрузка

(8)

Рисунок 2. Суммарные удельные нагрузки

2. Механический расчёт проводов

На рисунке 3 изображена схема пролёта воздушной линии, расположенной на местности без больших разностей уровней. Длиной пролёта, или пролётом, называют горизонтальное расстояние между точками крепления провода.

Рисунок 3. Схема пролёта воздушной линии

Гибкая натянутая между двумя точками нить всегда провисает.

Стрелой провеса f называют расстояние по вертикали между горизонталью, соединяющей точки крепления провода, и низшей точкой провода.

Габаритом линии h называют наименьшее расстояние по вертикали от провода при его наибольшем провисании до поверхности земли, воды, крыш зданий, головки рельса и т.п.

Гибкая нить, подвешенная в двух точках, подчиняется математическому закону цепной линии.

Стрела провеса, м,

(9)

где g - удельная нагрузка, МПа/м;

- напряжение на растяжение на проводе, МПа.

Длина провода в пролете, м,

.

В свою очередь,

,

где -растягивающая сила в проводе, Н; F-сечение провода, ммІ. Приведенные уравнения справедливы для любых пролётов, в том числе и очень длинных. Для пролётов с длиной, обычной в практике сооружения сельских воздушных линий, с достаточной точностью можно пользоваться этими уравнениями, отбросив последние члены в правой части.

Тогда окончательно стрела провеса

. (10)

Длина провода в пролёте

. (11)

Видоизменив последнее уравнение, получим

. (12)

Отсюда стрела провеса

.

Нужно учесть, что при очень малых изменениях длины провода значительно изменяется стрела провеса. Покажем это на примере. Пусть пролёт l=100м. длина провода L=100,24м, т.е. больше длины пролёта всего на 0,24%.

Тогда стрела провеса

(12)

Вот почему при превышении температуры окружающего воздуха провода сильно провисают, и наоборот.

Из уравнения (10) напряжение в проводе

. (13)

Из этого следует, что если напряжение в проводе слишком велико и превышает допустимое, то не нужно увеличивать сечение провода, а достаточно увеличить стрелу провеса. Именно поэтому сечение провода линии выбирают по электрическому расчёту, а затем проектируют воздушную линию так, чтобы напряжение в проводе не превышало допустимое во всех случаях.

Напряжения растяжения в различных точках провода неодинаковы и выше всего в местах закрепления провода на опоре. Однако в пролетах обычной длины эта разница незначительна и ею пренебрегают.

Пусть для каких-то условий температура окружающего воздуха , удельная нагрузка на провод и напряжение растяжения в проводе . при изменившихся условиях эти величины соответственно , и без индексов.

Пусть - длина ненагруженного провода, т.е. при = 0 и температуре ; - длина провода, испытывающего напряжение при температуре .

При нагреве ненагруженного провода от 0єС до его длина изменится и составит , где - температурный коэффициент линейного удлинения провода, 1/єС.

Размещено на Allbest.ru