Электрические сети энергоемких предприятий - Механические расчеты

Глава четвертая МЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СЕТЕЙ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Надежность электроснабжения потребителей электроэнергии во многом зависит от механической прочности всех конструктивных элементов установок для канализации электроэнергии (линий электропередачи, подстанций, токопроводов и т. д.). В свою очередь провода и тросы воздушных линий, токоведущие шины токопроводов и подстанций, их технические характеристики и действующие на них в процессе эксплуатации нагрузки в значительной степени предопределяют конструктивные решения, принимаемые при проектировании и сооружении упомянутых выше сетевых устройств. Целью механического расчета является в конечном счете определение напряжений в материале проводов, тросов и шин при заданных сочетаниях расчетных условий для различных режимов работы (нормальный режим — при необорванных проводах и тросах, аварийный режим — при обрыве части проводов и тросов при расчете ВЛ или режим короткого замыкания при расчете токопроводов и ошиновок открытых подстанций).
Полученные в результате расчета значения механических напряжений в материале токоведущих частей и тросов используются в дальнейшем при решении отдельных частных задач (например, при определении величин стрел провеса проводов и тросов, а также расстояний от проводов до земли или сооружений, для расчета мест установки фиксирующих устройств — распорок на токопроводах, при проектировании защиты от вибрации и т. п.). Объем механического расчета определяется главным образом его целевым назначением, т. е. конечными результативными данными, которые являются необходимыми в каждом конкретном случае для проектирования отдельных конструктивных элементов установки. В отечественной технической литературе, посвященной вопросам проектирования механической части ВЛ и подстанций [Л. 10, 14], достаточно полно изложена теория расчета проводов и тросов, положенная в основу приведенных здесь материалов, цель которых — в элементарной форме и сокращенном объеме дать практические рекомендации по отдельным наиболее часто встречающимся в практике элементам механического расчета проводов, тросов и токоведущих шин.

2. ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ВЕЛИЧИНЫ

При выполнении механического расчета проводов и тросов, помимо результатов электрического расчета сети (в части выбора для данной ВЛ марки провода), необходимо располагать также рядом других исходных данных и величин, основными из которых являются:
расчетные климатические условия;
конструктивные данные и физико-механические характеристики проводов и тросов;
нормируемые величины (запас механической прочности проводов и тросов, допускаемые нагрузки на изоляторы и арматуру, минимальные допустимые расстояния от проводов ВЛ до земли и сооружений и т. л.).
Расчетные климатические условия. Все основные элементы воздушных линий электропередачи постоянно подвергаются э процессе эксплуатации непосредственному воздействию различных атмосферных явлений. Поэтому вполне естественно, что климатические условия (ветер, гололед, температура воздуха) в значительной степени определяют конструктивные параметры каждой ВЛ.
Согласно ПУЭ для расчета ВЛ принимаются наиболее невыгодные с точки зрения работы линии сочетания климатических условий, наблюдаемых в данном районе не реже 1 раза в 5 лет (для ВЛ напряжением 35 кВ и ниже) и 1 раза в 10 лет (для ВЛ напряжением 110— 330 кВ).
Данные о климатологии района расположения трассы ВЛ обычно получают путем достаточно продолжительных наблюдений над различного рода атмосферными явлениями на местных метеостанциях, а также в линейных службах энергохозяйств, занимающихся эксплуатацией воздушных линий электропередачи. При этом во всех случаях при определении расчетных климатических условий необходимо руководствоваться соответствующими рекомендациями ПУЭ, в которых приведены карты районирования территории СССР по ветру и гололеду.
Таблица 4-1
Толщина стенки гололеда, мм, на высоте 10 м

Таблица 4-2
Нормативные скоростные напоры ветра QH, кГ/м2, на высоте 10 м

В зависимости от интенсивности гололедоизморозевых образований и величин скоростных напоров ветра ПУЭ различают пять районов СССР по гололеду (табл. 4-1) и семь районов по ветру (табл. 4-2).
Здесь следует отметить, что в соответствии с рекомендациями ПУЭ и «Указаниями по определению гололедных нагрузок» (СН-318-65) данные фактических наблюдений, а также нормативные величины районов СССР по гололеду и ветру должны в каждом случае корректироваться с учетом конкретных условий трассы и конструктивных параметров линии (открытая или застроенная местность, высота подвески проводов на поверхностью земли, их диаметр и т. п.).
Так, расчетные скоростные напоры QMакс в зависимости от высоты расположения проводов или тросов над поверхностью земли кщ, определяются путем умножения нормативного скоростного напора (табл. 4-2) на приведенные коэффициенты.

Величина hnр представляет собой высоту приведенного центра тяжести всех проводов или тросов ВЛ над уровнем земли и определяется по формуле

(4-1)
где hcр — средняя высота крепления проводов или тросов на опоре, м/макс — максимальная стрела провеса провода или троса, м.
В ряде случаев, когда трасса ВЛ защищена от воздействия поперечных ветров (например, в условиях застроенных промышленных площадок), допускается принимать расчетные величины скоростных напоров ветра равными не менее 70% нормативного скоростного напора Qп (табл. 4-2), т. е. QMaKc = 0,7QH. Расчетная толщина стенки гололеда принимается в каждом отдельном случае в зависимости от диаметра проводов или тросов и высоты их расположения над поверхностью земли с учетом поправочных коэффициентов на нормативные величины (см. табл. 4-1), приведенных ниже.
Величины поправочных коэффициентов для промежуточных значений диаметра проводов и тросов или высот расположения их над поверхностью земли определяются линейной интерполяцией, при этом расчетная толщина стенки гололеда округляется до целого числа.

В качестве расчетных температур при выполнении механического расчета принимаются как фактические их значения по данным многолетних наблюдений (высшая t+, низшая /_ и среднегодовая t3), так и условные (нормируемые) значения, принимаемые в качестве наиболее вероятных для различных режимов работы ВЛ (например, в гололедном режиме или при максимальном скоростном напоре ветра t=—5° С или t— —10° С при гс:—5° С; в монтажном режиме t——15° С; при атмосферных перенапряжениях £=+Т5°С и т. д.). Действующими ПУЭ рекомендованы следующие расчетные сочетания климатических условий, которые следует принимать при расчете проводов и тросов ВЛ:

1. Режим максимальной стрелы провеса f

макс тер и гололед отсутствуют или tf = —f-5° С при гололеде и отсутствии ветра.

1. Режим максимальных напряжений в материале проводов и тросов стмакс: i-, ветер и гололед отсутствуют или t = —5°С (t= — KFC при —5°С) при гололеде и скоростном напоре ветра 0,25QMaKc-
2. Режим максимальных ветровых нагрузок: t=—5° С (t=—10° С при tgz—5° С), скоростной напор ветра Омакс, гололед отсутствует.
3. Среднеэксплуатационный режим: t3, ветер и гололед отсутствуют.
4. Режим атмосферных перенапряжений: /= + 15° С, скоростной напор ветра 6,25 кГ/мг, гололед отсутствует.
5. Режим внутренних перенапряжений: t3, скоростной напор ветра 0,27QMaKc, гололед отсутствует.

7. Монтажный режим: t— —15° С, скоростной напор ветра 6,25 кГ/м2, гололед отсутствует.
Приведенный выше перечень расчетных режимов принимается в целом при выполнении так называемых систематических расчетов проводов и тросов, результаты которых используются, как правило, лишь при проектировании типовых опорных конструкций и других конструктивных узлов ВЛ. При конкретном проектировании с использованием типовых унифицированных конструкций при расчете проводов и тросов ограничиваются обычно только теми режимами, для расчетных условий которых проверка работы проводов и тросов в данном случае является необходимой.
Физико-механические характеристики проводов и тросов. Расчет проводов и тросов по прочности выполняется с учетом их конструктивных данных и физико-механических характеристик. Конструктивные данные проводов и тросов, применяемых обычно на ВЛ энергоемких предприятий, приведены в гл. 2 (см. табл. 2-1), а их основные физико-механические характеристики — в табл. 4-3.
Таблица 4-3
Физико-механические характеристики проводов и тросов

Примечание. В скобках указаны данные для проводов АСК„ ACK.0 в АСКУ.
При этом следует отметить, что для отдельных групп сталеалюминиевых проводов значения, модуля упругости Е и температурного коэффициента линейного расширения а приняты усредненными, так как для этих групп проводов указанные величины различаются весьма незначительно (на 0,5—0,7%), а пользование усредненными значениями в определенной степени упрощает расчет и практически не влияет на его результаты. То же относится и к приведенным в таблице значениям удельных нагрузок от собственного веса проводов.
Запас механической прочности проводов и тросов. В целях обеспечения необходимых эксплуатационных показателей сооружаемых ВЛ расчет проводов и тросов выполняется, исходя из нормируемого запаса прочности по отношению к величине временного сопротивления провода или троса разрыву авр. Необходимость введения в расчет запаса прочности определяется известной условностью расчетных климатических условий, принимаемых для расчета в качестве исходных, а также степенью точности самого расчета, в основу которого, как известно, положен ряд условностей и предположений. В зависимости от марки провода или троса максимальное напряжение в их материале в соответствии с действующими ПУЭ в различных режимах работы не должно превышать следующих значений (в процентах к временному сопротивлению разрыву):
алюминиевые провода — 50% при наибольшей внешней нагрузке (ветре и гололеде) или низшей температуре и 30% при среднегодовой температуре;
сталеалюминиевые провода — 42% при наибольшей внешней нагрузке, 37% при низшей температуре и 25% при среднегодовой температуре; стальные тросы — 50% при наибольшей внешней нагрузке или низшей температуре и 35% —при среднегодовой температуре.
Абсолютные значения максимально допустимых напряжений в материале проводов и тросов различных марок приведены в табл. 4-4. При соответствующих техникоэкономических обоснованиях для проводов марки АСУ в районах с интенсивными гололедоизморозевыми образованиями (в IV и особых районах СССР по гололеду) допускается принимать стМакс=0,6аВр. Величины вводятся в расчет как исходные и не могут быть превышены в любом случае. С другой стороны, по соображениям конструктивного характера, изложенным ниже (см. § 4-5 и 4-6), при расчете в ряде случаев применяются значения меньше нормированных, т. е. не используются в полной мере физико-механические свойства проводов.
Однако это обстоятельство не влияет сколько-нибудь существенно на технико-экономические показатели сооружения, поскольку принимаемые для проводов значения позволяют полностью использовать необходимые величины пролетов между опорными конструкциями и, с другой стороны, в определенной степени повысить эксплуатационные показатели сооружения.

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ ПРОВОДОВ И ТРОСОВ

Провода и тросы воздушных линий в процессе эксплуатации периодически подвергаются воздействию внешних нагрузок от давления ветра (горизонтальные нагрузки), образующегося на них гололеда (вертикальные нагрузки) и одновременно от обоих (суммарные нагрузки). Эти нагрузки во многом определяют величины механических напряжений, возникающих в материале проводов и тросов, и поэтому механический расчет производится с учетом подобных дополнительных нагрузок. При этом во всех случаях учитывается также собственный вес провода или троса.
Поскольку методы расчета проводов и тросов аналогичны, в дальнейшем изложении все сказанное о проводах относится также к тросам. Определение механических нагрузок проводов производится на основе принятых для данной линии расчетных климатических условий (см. § 4-2) и конструктивных данных проводов (см. табл. 2-1). Все виды внешних дополнительных нагрузок вводятся в расчет, как правило, в виде удельных (приведенных) значений, отнесенных к 1 м длины провода и 1 мм2 его поперечного сечения (кГ/м- мм2). Обычно для решения отдельных задач механического расчета используются семь следующих основных величин горизонтальных (ветровых), вертикальных (весовых) и суммарных нагрузок, краткие характеристики и расчетные формулы для которых приведены ниже.
Нагрузка от собственного веса. Величина нагрузки от собственного веса зависит только от материала провода и его конструктивных параметров, и поэтому удельное значение ее может быть определено по формуле
(4-2)
где G — вес 1 пог. м провода, кг/м; F—площадь поперечного сечения провода, мм2.

Максимально допускаемые напряжения в материале проводов (тросов) в целом омаке, кГ/мм2

Для сталеалюминиевых проводов при определении у4 принимается суммарное сечение стальной и алюминиевой частей провода. Формула (4-2) не учитывает увеличения длин отдельных проволок свивки, поскольку удельная нагрузка от собственного веса при учете фактических длин проволок увеличивается всего на 2—3%, что для инженерных расчетов не имеет практического значения.
Нагрузка от гололеда. При определении удельной нагрузки от веса гололеда условно принимается, что гололедные образования на проводе имеют форму пустотелого цилиндра, расположенного равномерно по всей длине провода в пролете. При этом удельный вес льда принимается равным 70=0,9 кг/см3. Так как вес пустотелого цилиндра в этом случае равен

то удельная нагрузка от гололеда составит:

или с учетом поправочного коэффициента на диаметр провода и высоту его расположения над поверхностью

земли k
В приведенных формулах:
V — объем цилиндра, см3; b—-нормативная толщина стенки гололеда, мм; d — диаметр провода, мм; k — поправочный коэффициент, принимаемый в соответствии с рекомендациями § 4-2.
Суммарная весовая нагрузка при гололеде. Полная вертикальная нагрузка при гололеде определяется путем арифметического суммирования величин yi и уг, поскольку действие этих нагрузок совпадает по направлению, т. е.
(4-4)
Ветровые нагрузки. При давлении ветра провода испытывают дополнительные нагрузки; в результате этого увеличиваются натяжения по проводам и силы, действующие на опорные конструкции. При определении ветровых нагрузок направление ветра, как правило, принимается под углом 90° к оси линии. Давление ветра от действия его горизонтальной слагающей вычисляется по формуле
(4-5)
где Р — давление ветра, кГ; QMaitc — максимальный скоростной напор ветра, принимаемый с учетом поправочных коэффициентов (см. § 4-2); F — поверхность, подверженная давлению ветра, м2 (для проводов равна площади диаметрального сечения); сх — аэродинамический коэффициент (коэффициент лобового сопротивления), принимаемый равным: для проводов диаметром 20 мм и более—1,1; для проводов диаметром менее 20 мм, а также для всех проводов, покрытых гололедом, — 1,2; а — коэффициент неравномерности скоростного напора ветра по пролету, принимаемый равным для QMaKc:

(промежуточные значения а определяются интерполяцией).
Удельное значение нагрузки от давления ветра на провод, свободный от гололеда, определяется из выражения
(4-6)
При проводах, покрытых гололедом, величина удельной нагрузки возрастает вследствие увеличения поверхности, подверженной давлению ветра, на величину, соответствующую удвоенной толщине стенки гололеда (2Ь, мм). Следовательно, удельная нагрузка от ветра на провод, покрытый гололедом, с учетом поправочного коэффициента k на толщину стенки гололеда (см. § 4-2) составит:
(4-7)
При толщине стенки гололеда 15 мм и более величина 0,25(Эмакс должна приниматься равной не менее 14 кГ 1м2.
Суммарные весовые и ветровые нагрузки. При ветровых усилиях на провода, свободные от гололеда, суммарная удельная нагрузка определяется как геометрическая сумма горизонтальных (ветровых) и вертикальных (весовых) составляющих:
(4-8)
а на провода, покрытые гололедом, соответственно
(4-9)
Наиболее часто в расчетах используются приведенные нагрузки необходимые для определения механических напряжений в проводах, стрел провеса и габаритов от проводов ВЛ до земли и сооружений в различных режимах работы. Значительно реже используются нагрузки Y4, Y5 и у6, поскольку они вводятся в расчет лишь при решении частных задач, могущих встретиться при проектировании (производство поверочных расчетов опор и отдельных конструктивных узлов, определение расстояний по горизонтали до сооружений от проводов воздушной линии при их отклонениях под воздействием ветра и т. п.).