Основы расчета воздушных и кабельных линий электропередачи

1. Основы расчета воздушных и кабельных линий электропередачи

1.1 Расчет воздушных линий на механическую прочность

*> Основные понятия.

Линия электропередачи (ЛЭП) – сооружение, состоящее из проводов и вспомогательных устройств, предназначенное для передачи или распределения электрической энергии. Линии электропередач, являясь основным звеном энергосистемы, вместе с электрическими подстанциями образует электрические сети.

Различают воздушные линии электропередач, провода которых подвешены над землёй или над водой, и подземные (подводные) ЛЭП, в которых используются главным образом силовые кабели.

По воздушным ЛЭП электрическая энергия передаётся на значительные расстояния по проводам, прикрепленным к опорам (столбам) с помощью изоляторов. Воздушные линии электропередачи являются одним из основных звеньев современных энергосистем. Напряжение в линии зависит от её протяженности и передаваемой по ней мощности.

Провода воздушных ЛЭП должны обладать хорошей проводимостью, механической прочностью, стойкостью против атмосферных и химических действий.

Для воздушных ЛЭП применяют неизолированные провода (однопроволочные, многопроволочные и полые) из меди, алюминия, сталеалюминия, реже стальные (главным образом при электрификации сельских местностей).

              Механическая прочность воздушных линий электропередачи (ВЛ) – способность провода, грозозащитных тросов (ГТ) и опор выдерживать механические нагрузки, возникающие из-за собственного веса, ветра, гололедных образований, изменения температуры и других факторов. Механическая прочность ВЛ в значительной мере влияет на надежность работы электрической сети.

              Что касается сечения проводов, то они выбираются в проекте электрической части сети. В расчете проводов на механическую прочность идет проверка выбранных сечений, а также ГТ и опор. Этот расчет включает определение: 1) механических нагрузок и сил, действующих на провода и тросы; 2) механических напряжений проводов и тросов в различных их точках и при различных условиях их работы; 3) Наибольших стрел провеса проводов и тросов.

              Эти расчеты необходимы не только для проверки сечений, но и для выбора, расстановки и расчета опор ВЛ, а также для построения монтажных зависимостей стрел провеса от длины пролета и климатических условий.

              На рис. 1 приведена схема пролета ВЛ.

                                  а)                                                                                                  б)

Рис. 1 Воздушная одноцепная линия: а – схема пролета; б – размеры промежуточной опоры

hг – габарит линии, т. е. наименьшее допустимое по условиям безопасности расстояние между поверхностью земли и самой низкой точкой провода;

hт – высота тросостойкости;

f – стрела провеса провода в пролете;

λ – длина гирлянды изолятора;

hп – расстояние между проводами;

hг – габарит линии;

h – высота подвеса провода;

H – полная высота опоры.

              Наибольшая допустимая стрела провеса fнб определяется заданной для каждого типа опор высотой этой опоры H, тросостойки, расстоянием между проводами, длиной гирлянды изоляторов и hг:

fнб = H - hт - hп – λ – hг                           (1.1)

1.2. Причины повреждаемости воздушных линий

              В основном объясняются следующими факторами:

а) перенапряжениями (атмосферными и коммутационными);

б) изменениями температуры (Q);

в) действием ветра;

г) гололедными образованиями на проводах;

д) вибрацией;

е) «пляской» проводов;

ж) загрязнением воздуха.

              Краткая характеристика этих факторов:

а) Причины перенапряжений – гроза. Коммутационные перенапряжения возникают при включении и отключении выключателей.

В сетях до 220 кВ обычно более опасны атмосферные перенапряжения, а в сетях 330 кВ и выше – коммутационные.

б) Интервал изменения температуры от -40 до +40 0С. Низкие температуры увеличивают механические напряжения за счет уменьшение длины провода при фиксированных точках закрепления провода. Повышение температуры провода приводит к отжигу проводов (окисление) и к увеличению стрелы провеса.

в) Действие ветра – дополнительная горизонтальная сила, действует на провода и опоры. Возможны случаи поломки сразу нескольких опор.

г) Гололедные образования возникают в результате попадания капель дождя и тумана, снега, изморози и других переохлажденных частиц, при температуре порядка от 0 до 5 0С и ветре. Появляются дополнительные вертикальные нагрузки. В больших пролетах – до нескольких тонн на провод.

д) Вибрация – это колебания с высокой частотой (5-50) Гц, малой длиной волны (2-10) м. и амплитудой (2-3) диаметра провода. Приводит к поломке проволок провода вблизи места закрепления. Уменьшение воздействий вибрации – подвеска виброгасителей (рис. 2).

Рис. 2 Виброгаситель: 1-груз, 2-стальной трос, 3-серьга.

е) Пляска проводов – колебания проводов с малой частотой (0,2-0,4) Гц, большой длиной волны (порядка одного-двух пролетов) и значительной амплитудой (0,5-5) м. и более. Длительность этих колебаний, как правило, невелика, но иногда достигает нескольких суток. На территории РФ таких зон не много. «Пляска»  наблюдается при сравнительно сильном ветре и гололеде. Чаще на проводах больших сечений. Эти дополнительные усилия со знакопеременной нагрузкой приводят к обрыву проводов и разрушению опор.

ж) Загрязнение воздуха. Из-за большого наличия солей в воздухе, а также присутствия золы, цементной пыли, прочих химических соединений, влажности приводит к появлению проводящих каналов и ослаблению изоляции с возможностью её перекрытия. На повреждаемость опор из дерева влияет их загниваемость (зависит от свойства грунта). Эта проблема особенно важна для севера, т. к. завоз туда железобетонных опор затруднителен, а появление на деревянных опорах загрязненных каналов по дереву между проводами (климатические условия и дятлы), приводят во время грозы к воспламенению опор.

2. Расчетные климатические условия

2.1. Основные габаритные размеры ВЛ

Основные габаритные размеры воздушных линий даны в ПУЭ (раздел - воздушные линии). Кроме того некоторые таблицы приведены в [1] таблица 8.1 Наименьшие допускаемые расстояния проводов ВЛ до земли:

hг=f (Uном, населенности местности, доступности, наличия предприятий)

hг – от 6 до 17,5 м. при Uном=(от 0,4 до 750) кВ

В среднем можно считать, что hг(380В)=(от 3,5 до 6) м.

hг(10 кВ)=(6-7) м.,  hг(110 Кв)=(6-7) м.  hг(220 Кв)=(7-8) м.    Таблица 8.2 [1]

Конструктивные размеры воздушных линий

1) d=(0,5-40) м.

Например: d(0,4)=0,5 м., d(10)= 1м., d(35)=3 м., d(110)=4 м., d(220)=7 м., d(500)=12 м.

2) lпролета: l(0,4)=(40-50) м.

l(10)=(50-100) м.

l(35)=(150-200) м.

l(110)=(170-250) м.

l(220)=(250-350) м.

l(500)=(350-450) м.

3) Высота опоры, м.:

Н(0,4)=8-9 м., Н(10)=10м., Н(35)=10 м., Н(110)=(13-14) м., Н(220,500)=(25-30) м.

Индексы – это номинальное напряжение линии.

4) Число изоляторов в гирлянде зависит от конструктивных особенностей опоры и многих других факторов (свойства изоляции, приближения к опоре и т. д.). Очень грубо в среднем можно считать - (12-15) кВ на 1 изолятор.

2.2 Расчетные климатические условия и мероприятия по повышению механической прочности при проектировании конструктивной части ВЛ

Эти условия выбираются в соответствии с картами районирования территории РФ по скоростным напорам ветра (в паскалях), размерам гололедных образований и грозовой активности [ПУЭ] цветные карты. Они составлены по многолетним наблюдениям.

По Vм/сек=(I – VII) районы,   *скорости ветра

По bг=(I – IV) + особый районы

Характеристика сочетаний районных условий даны в ПУЭ и в [1] (т. 8.3 – 8.5).

Например: для зоны I (Иркутская область) по скорости ветра:

1 раз/5 лет – 270 Па (21 м/сек)

1 раз/10 лет – 400 Па (25 м/сек)

1 раз/15 лет – 550 Па (30 м/сек)

Толщина стенки гололеда на высоте 10 м.

Зона I:

1 раз/5 лет-bг = 5 мм.

1 раз/10 лет-bг = 10 мм.

1 раз/15 лет – по наблюдениям.

Для защиты от грозовых перенапряжений ВЛ снабжаются тросами (металлические опоры).

В районах с сильным гололедом (зона III, dгол=10-15 мм). В этих районах не применяют вертикальное расположение проводов (не одновременный сброс гололеда, и, как следствие – схлестывание).

Расчетные климатические условия – это наиболее вероятные совпадения температуры, скорости ветра (gветра); bголол.

Таких совпадений рассматривают 17, для:

а) нормального режима;

б) обрыв проводов или тросов;

в) монтаж проводов и тросов.

Пример:

2.3 Удельные механические нагрузки на провода и тросы

Нагрузки на провода и тросы действуют на вертикали (вес провода, гололед) и горизонтали (ветер). В результате в металле возникают напряжения от расстояния.

Удельная нагрузка – это равномерно-распределенная нагрузка вдоль пролета провода, отнесенная к единице длины и поперечного сечения.

l=1 м и F=1мм2.

1. Удельная нагрузка от собственного веса провода зависит от материала и равна, H/м3:                      γ 1=9.81∙G0/F, где:

G0- масса провода, кг/м; 

F - расчетное или действительное сечение провода (отличается от номинального), м2.

9.81 м/с2 – ускорение силы тяжести.

рис. а

Значения γ 1 кПа/м приведены в табл. 8.8 [1].

(1 кПа/м = (Н/м3)/м2)

Удельная нагрузка от веса гололеда:

γ 2 = 9,81∙g0[π(d+2 bг)2/4 – πd2/4] / F =

= 9,81∙ g0∙π∙ bг(d+ bг) / F

γ 3

рис. б

Удельная нагрузка от веса провода и гололеда:

γ 3= γ 1+ γ 3 – арифметическая сумма

Удельная нагрузка от давления ветра на провод без гололеда:

γ4=α∙kл∙Сx∙gv∙d / F = α∙kл∙Сx∙V2∙d / 1,6∙F, где

V – скорость ветра, м/сек.

   рис. в

7