Физико-механические характеристики провода и троса

ВВЕДЕНИЕ

Воздушные линии электропередач (ВЛ) предназначены для передачи электроэнергии на расстояния. Основными элементами воздушных линий являются провода и тросы, опоры, изоляторы, линейная арматура и т.д.

В курсовом проекте необходимо произвести расчет одноцепной воздушной линии электропередач 110 кВ в анкерном пролете на механическую прочность. Напряжения в проводе АС-70/11 и тросе ТК-50 не должны превышать допустимых при любых погодных условиях, возможных в данной местности (II -й район по гололеду, II-й район по ветровой нагрузке, высшая температура 40°С, низшая –15°С, среднегодовая 5°С). Стрелы провеса провода и троса также не должны превышать допустимых значений в любом режиме.

Проектирование механической части воздушных ЛЭП ставит своей главной задачей обеспечение высокой надежности работы ВЛ в естественных природных условиях.

Проектирование включает следующие основные этапы:

- выбор элементов ВЛ (унифицированной опоры, изоляторов и линейной арматуры)

- определение физико механических характеристик провода и троса

- расчет удельных нагрузок на провод и трос

- механический расчет провода и троса

- расстановка опор по профилю трассы

- расчет монтажных стрел провеса провода и троса

Целью выполнения курсового проекта является получение основ проектирования механической части ВЛ.

Физико-механические характеристики провода и троса

На воздушных линиях электропередач применяются неизолированные алюминиевые и сталеалюминевые провода, состоящие из одной или нескольких проволок. Сталеалюминевые провода – это многопроволочные провода, состоящие из алюминиевых и стальных проволок. Стальные проволоки придают проводу достаточную механическую прочность, алюминиевые – обладают высокой электрической проводимостью. На рисунке 1.1 приведена конструкция сталеалюминевого провода АС-70/11. Стальная часть 1 выполнена однопроволочным стальным сердечником, а алюминиевая 2 – из одного повива алюминиевых проволок.

Рисунок 1.1 – Поперечное сечение провода марки АС – 70/11

Таблица 1 – Физико-механические характеристики провода АС-70/11

Характеристика	Единицы измерения	Значение
Площадь сечения: алюминиевой части стальной части суммарное	мм²	11, 3 79, 3
Диаметр провода	мм	11, 4
Количество и диаметр проволок: алюминиевых стальных	шт× мм	6× 3, 8 1× 3, 8
Количество повивов: стальной части алюминиевой части	шт	-
Масса 1 км провода	кг
Модуль упругости	× 10⁴ Н/мм²	8, 25
Температурный коэффициент линейного удлинения	× 10^-6град^-1	19, 2
Предел прочности при растяжении	Н/мм²
Удельная нагрузка от собственного веса провода	× 10^-3Н/(м× мм²)	34, 80
Допустимое напряжение при средней температуре при низшей температуре при наибольшей нагрузке	Н/мм²

В качестве грозозащитных тросов на ВЛ применяются стальные канаты, изготовленные из оцинкованных стальных проволок. Грозозащитный трос служит для защиты ВЛ от ударов молнии. Выбор сечения троса определяется в зависимости от напряжения ВЛ, различных пересечений, района по гололеду. Так как ВЛ напряжением 110 кВ, то трос будет сечением 50 мм². На рисунке 1.2 приведена конструкция стального многопроволочного каната марки ТК-50, выполняющего роль грозозащитного троса.

Рисунок 1.2 – Поперечное сечение грозозащитного троса марки ТК – 50

Таблица 2 – Физико-механические характеристики троса ТК-50

Характеристика	Значения
Сечение, мм²: номинальное фактическое	48, 6
Диаметр троса, мм	9, 1
Количество и диаметр проволок, шт мм	19 1, 8
Масса 1 км троса, кг
Количество повивов, шт
Модуль упругости, × 10⁴ Н/мм²	18, 5
Температурный коэффициент линейного удлинения, × 10^-6град^-1
Предел прочности при растяжении Н/мм²
Удельная нагрузка от собственного веса троса, × 10^-3Н/(м× мм²)
Допустимое напряжение, Н/мм²: при средней температуре при низшей температуре при наибольшей нагрузке

Выбор унифицированной опоры

При выборе опоры учитываем район по гололеду (II), марку провода (АС-70/11), напряжение ВЛ (110 кВ), материал из которого изготовляется опора (металлическая), а также учитываем, что опора должна быть одноцепной. В результате рассмотрения выше перечисленных условий выбираем опору П110-5, изображенную на рисунке 2.1. Ее технические характеристики представлены в таблице 3.

Рисунок 2.1 – Унифицированная металлическая опора П110-5.

Таблица 3 – Технические характеристики опоры П220-2

Размеры по рисунку 2.1, м

Марка провода

Район по гололеду

Пролет, м

Масса, т

h₁

h₂

h₃

a₁

a₂

a₃

Габарит-ный

Ветро-вой

Весовой

3, 0

19, 0

6, 0

2, 1

4, 2

2, 1

2, 8

АС-70/11

2, 67

Расчетный пролет вычисляется по формуле:

l _р= а∙ l_габ, (2.1)

где а-коэффициент в соответствии с местностью, l_габ- длина габаритного пролета в метрах

l_р= 0, 8∙ 225=180 м

Расчет грозозащитного троса

Стрела провеса троса в грозовом режиме определяется по выражению:

, (4.3.5)

, (4.3.6)

где - стрела провеса провода в грозовом режиме;

- длина гирлянды изоляторов;

- расстояние от точки подвеса гирлянды верхнего провода до точки

подвеса троса.

Далее определяется напряжение в тросе при грозовом режиме по выражению:

, (4.3.7)

Для дальнейших расчетов в качестве исходного принимается грозовой режим ( и t=15⁰С), по уравнению состояния определяется напряжение в тросе в режиме низшей температуры, среднегодовой температуры и в режиме наибольшей нагрузки:

Найдём напряжение в тросе в режиме низшей температуры:

Решение кубического уравнения в программной среде «Mathcad 15»:

Напряжение в тросе в режиме низшей температуры: Н/мм²

Найдём напряжение в тросе в режиме средней температуры:

Решение кубического уравнения в программной среде «Mathcad 15»:

Напряжение в тросе в режиме средней температуры: Н/мм²

Найдём напряжение в тросе в режиме наибольшей нагрузки:

Решение кубического уравнения в программной среде «Mathcad 15»:

Напряжение в тросе в режиме наибольшей нагрузки: Н/мм²

Найдём напряжение в тросе в грозовом режиме:

Решение кубического уравнения в программной среде «Mathcad 15»:

Напряжение в тросе в грозовом режиме: Н/мм².

Таблица 5 - Результаты расчетов для троса

Режим	Удельная нагрузка, Н/м∙ мм²	Температура, ⁰С	Напряжение в тросе, Н/мм²
Низшая t⁰	80∙ 10^-3	-15	54, 276
Среднегодовая t⁰	80∙ 10^-3		52, 487
Наибольшая нагрузка	226, 07∙ 10^-3	-5	140, 557
Грозовой режим	80∙ 10^-3		51, 551

По результатам расчетов производится проверка:

, (4.3.8)

Условие (4.3.8) выполняется, значит трос пригоден для условий проектируемой линии в нормальных режимах работы.

5 Выбор изоляторов и линейной арматуры

Выбор линейной арматуры

Расчет арматуры производится по разрушающей нагрузке. Выбор арматуры для поддерживающей гирлянды осуществляется по выражению:

2, 5× (G_г+G_и)≤ G_р; (5.3.1)

2, 5(4234, 3+500)=11835, 75 Н;

Выберем узел крепления гирлянды к траверсе опоры КГП-7-1 (рисунок 5.2) и поддерживающий зажим ПГН-3-5 с разрушающей нагрузкой 70 кН (рисунок 5.3).

Таблица 7 – Технические характеристики узла крепления к траверсе опоры КГП-7-1

Размеры, мм	Масса, кг
D	d	H	H1	L	L1	Smin	Smax	D1
									0, 80

Рисунок 5.2 – Узел крепления гирлянды к траверсе КГП-7-1 и привязочные размеры

Таблица 8 - Технические характеристики поддерживающего зажима ПГН-3-5

Размеры, мм	Масса, кг
L	H	H1	A	d
					1.10

Рисунок 5.3 – Зажим поддерживающий ПГН-3-5

В соответствии с размерами креплений выберем ушко У1-7-16 (рисунок 5.4) и серьга СР-7-16 (рисунок 5.5) с разрушающей нагрузкой 70 кН.

Рисунок 5.4 – Ушко У1-7-16

Таблица 9 - Технические характеристики ушко У1-7-16

Размеры, мм	Масса, кг
B2	D	H1
			0, 67

Рисунок 5.4 – Серьга СР-7-16

Таблица 9 - Технические характеристики Серьга СР-7-16

Размеры, мм	Масса, кг
b	D	D1	d	H	H1
				99, 4		0.30

Для натяжной гирлянды:

, (5.2.2)

Выбирается аналогичная арматура, что и для поддерживающей гирлянды. В качестве зажима выбирается натяжной болтовый зажим типа НБ-2-6 (рисунок 5.5)

Рисунок 5.5 – натяжной болтовый зажим НБ-2-6

Таблица 10 - Технические характеристики натяжного зажима НБ-2-6

Марка провода	Прочность, заделки провода, кН, не менее	Размеры, мм	Разрушающая нагрузка Р, кН, не менее	Масса, кг
АС-70/11	21, 1	В	В1	В2	L	L1	1, 87

После выбора изолятора и арматуры определяются фактические вес и длина гирлянды:

(5.2.3)

(5.2.4)

где , - вес одного изолятора и суммарный вес элементов арматуры;

, - высота одного изолятора и суммарная высота элементов арматуры;

n- количество изоляторов в гирлянде;

Расстановка опор

При расстановке опор по профилю трассы должны быть выполнены два основных условия:

а) расстояние от проводов до земли и до пересекаемых инженерных сооружений не должно быть меньше допускаемых ПУЭ;

б) нагрузки, воспринимаемые опорами, не должны превышать значений, установленных для опор данного типа.

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.

Режим максимальной стрелы провеса определяется вычислением критической температуры, при которой стрела провеса провода при отсутствии гололеда и ветра достигает такого же значения, как и при гололеде без ветра:

, ⁰С, (6.1.1)

Т.к. < , то наибольшая стрела провеса будет возникать в режиме максимальных температур.

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

, (6.1.2)

где - удельная нагрузка и напряжение в проводе в режиме, отвечающем наибольшей стреле провеса (режим максимальных температур).

Для построения шаблона выражение (6.1.2) представляется в виде квадратного уравнения:

, (6.1.3)

где , тогда .

Коэффициент , выраженный из (6.2) с учётом (6.3)

Уравнение (6.3) принимает вид:

Учитывая масштаб, 1: 5500 по горизонтали и 1: 500 по вертикали составим таблицу и построим шаблон.

Для расстановки опор по профилю трассы необходимо построить шаблон. Шаблон определяет собой три кривые провисания. Эти кривые строятся по выражению:

Данные, необходимые для построения шаблона, оформим в виде таблицы (таблица 11).

Таблица 11– Данные, необходимые для построения шаблона

l, м
x, м
x, мм (в масштабе)	2, 7	5, 5	8, 2	10, 1	13, 6	16, 4
y, м	0, 17	0, 68	1, 53	2, 73	4, 26	6, 13
y, мм (в масштабе)	0, 34	1, 36	3, 06	5, 46	8, 52	12, 26

Кривая 2, называемая габаритной, сдвинута по вертикали вниз от кривой 1 на минимально допустимое расстояние от проводов до поверхности земли Г = 7 м. В масштабе 14 мм.

Кривая 3, называемая земляной, сдвинута от кривой 1 вниз на расстояние, равное высоте подвеса нижнего провода над землей:

, (6.1.4)

где - фактическая длина гирлянды изоляторов,

h₂- расстояние от земли до нижней траверсы опоры.

В масштабе сдвиг будет равен 34 мм.

Рисунок 6.1 – Шаблон

В анкерном участке с различными пролетами между промежуточными опорами происходит выравнивание напряжения в проводе во всех пролетах. Это напряжение соответствует так называемому приведенному пролету, который определяется по выражению:

(6.1.5)

где l_i - длина i-го пролета в анкерном участке;

k - количество пролетов в анкерном участке.

В результате выполненной расстановки, мы получили приведенный пролет, близко равным расчетному.

Проверка опор на прочность

Весовой пролет равен расстоянию между низшими точками кривых провисания провода в пролетах, примыкающих к рассматриваемой опоре.

Ветровой пролет равен полусумме длин пролетов по обе стороны от опор.

l_ветр=225 м.

, (6.2.1)

По рисунку 6.2:

l_ветр.ф1=

l_ветр.ф2=

l_ветр.ф3=

l_ветр.ф4=

Таким образом, условие l_ветр.ф l_ветр выполняется.

Проверка опор на прочность по весовому пролету

l_вес=470 м.

По рисунку 6.2

l_вес.ф1=170, 5 м;

l_вес.ф2=170, 5 м;

l_вес.ф3=176 м;

l_вес.ф4= 170, 5 м;

Условие l_вес.ф l_вес. выполняется.

Так как условия по весовому и ветровому пролетам выполняются и приведенный пролет близок к расчетному, то расстановку опор по трассе можно считать удовлетворительной.

Заключение

В данном курсовом проекте спроектирована механическая часть одноцепной воздушной ЛЭП номинального напряжения 110 кВ, проходящей в ненаселённой местности.

В результате расчётов выяснилось, что в данном анкерном пролёте [приведённый пролёт 179, 7 м] при использовании унифицированной металлической опоры П110-5 и провода АС – 70/11 (район по ветру второй, по гололёду – второй) напряжения в проводе и грозозащитном тросе ТК-50 не превышают допустимых во всех режимах. Стрелы провеса также не превышают допустимых во всех режимах.

Также были выбраны изоляторы и линейная арматура с учётом их прочности. Была произведена расстановка опор по профилю трассы с таким расчётом, чтобы расстояние от провода до земли (габарит) в режиме максимальных нагрузок не превышало допустимого ПУЭ в данной местности и при данном напряжении. Из сравнения реальных ветровых пролётов с допустимыми можно сделать вывод, что прочность опоры достаточна.

Произведён расчёт монтажных стрел провеса для высококачественного монтажа проводов и троса в любом пролёте данного анкерного пролёта при любой температуре.

Библиографический список

1. Вихарев А.П. Проектирование механической части воздушной ЛЭП [Текст]: учебное пособие/ А.П. Вихарев, А.В. Вычегжанин, Н.Г. Репкина. –Киров: Изд. ВятГУ, 2009. – 140 с.

2. Правила устройства электроустановок [Текст]/ под ред. А.М. Меламед – 7-е изд., перераб. и доп. - М.: НЦ ЭНАС, 2011. – 552 с.

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование включает следующие основные этапы:

- выбор элементов ВЛ (унифицированной опоры, изоляторов и линейной арматуры)

- определение физико механических характеристик провода и троса

- расчет удельных нагрузок на провод и трос

- механический расчет провода и троса

- расстановка опор по профилю трассы

- расчет монтажных стрел провеса провода и троса

Целью выполнения курсового проекта является получение основ проектирования механической части ВЛ.

Физико-механические характеристики провода и троса

Рисунок 1.1 – Поперечное сечение провода марки АС – 70/11

Таблица 1 – Физико-механические характеристики провода АС-70/11

Характеристика	Единицы измерения	Значение
Площадь сечения: алюминиевой части стальной части суммарное	мм²	11, 3 79, 3
Диаметр провода	мм	11, 4
Количество и диаметр проволок: алюминиевых стальных	шт× мм	6× 3, 8 1× 3, 8
Количество повивов: стальной части алюминиевой части	шт	-
Масса 1 км провода	кг
Модуль упругости	× 10⁴ Н/мм²	8, 25
Температурный коэффициент линейного удлинения	× 10^-6град^-1	19, 2
Предел прочности при растяжении	Н/мм²
Удельная нагрузка от собственного веса провода	× 10^-3Н/(м× мм²)	34, 80
Допустимое напряжение при средней температуре при низшей температуре при наибольшей нагрузке	Н/мм²

Рисунок 1.2 – Поперечное сечение грозозащитного троса марки ТК – 50

Таблица 2 – Физико-механические характеристики троса ТК-50

Характеристика	Значения
Сечение, мм²: номинальное фактическое	48, 6
Диаметр троса, мм	9, 1
Количество и диаметр проволок, шт мм	19 1, 8
Масса 1 км троса, кг
Количество повивов, шт
Модуль упругости, × 10⁴ Н/мм²	18, 5
Температурный коэффициент линейного удлинения, × 10^-6град^-1
Предел прочности при растяжении Н/мм²
Удельная нагрузка от собственного веса троса, × 10^-3Н/(м× мм²)
Допустимое напряжение, Н/мм²: при средней температуре при низшей температуре при наибольшей нагрузке

Выбор унифицированной опоры

Рисунок 2.1 – Унифицированная металлическая опора П110-5.

Таблица 3 – Технические характеристики опоры П220-2

Размеры по рисунку 2.1, м

Марка провода

Район по гололеду

Пролет, м

Масса, т

h₁

h₂

h₃

a₁

a₂

a₃

Габарит-ный

Ветро-вой

Весовой

3, 0

19, 0

6, 0

2, 1

4, 2

2, 1

2, 8

АС-70/11

2, 67

Расчетный пролет вычисляется по формуле:

l _р= а∙ l_габ, (2.1)

где а-коэффициент в соответствии с местностью, l_габ- длина габаритного пролета в метрах

l_р= 0, 8∙ 225=180 м

12 3 4 5 Следующая ⇒