Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Братский Государственный Университет» Кафедра ТиПМ Курсовая работа «Механический расчет ЛЭП напряжением 220 кВ» Вариант № 50 Выполнил: студент гр. ЭП-09 Коротаев Ю.В. Руководитель: доцент кафедры ТиПМ Яковлев В. В. Братск 2011 Исходные данные для проектирования Выполнить проверочные расчеты на прочность одноцепной воздушной линии электропередач напряжением 220 кВ, проходящей по ненаселенной местности. Воздушная линия сооружается на промежуточных металлических опорах типа П220–3 с использованием провода марки AC 400/51. Длина габаритного пролета l = 475 м. В районе сооружения ЛЭП имеют место следующие климатические условия: 1) Район по гололёду - II 2) Район по ветровой нагрузке - III 3) Температура высшая tmax = 30°C 4) Температура низшая tmin = -40°C 5) Температура среднегодовая tэ = -5°C 6) Температура гололедообразования tг= -5°C. 2 Содержание Введение…………………………………………………………………….4 1. Определение физико-механических характеристик провода……..……….6 1.1 Конструкция провода AC400/51………………………………………………....6 1.2 Характеристики и допускаемые напряжения провода AC400/51……………..7 2. Физико-химические характеристики унифицированной стальной опоры П220–3……………………………………………………………………………..….8 3. Определение высоты приведенного центра тяжести провода.…………….9 3.1 Определение наибольших стрел провеса провода……………………………...9 3.2 Средняя высота подвеса провода………………………………………………...9 4. Определение погонных и удельных нагрузок на элементы воздушных линий электропередач.........…………………………………………………………10 4.1 Нагрузка от собственного веса……………………………………………….…10 4.2 Погонная нагрузка от веса гололеда……………………………………………10 4.3 Результирующая весовая нагрузка провода с гололедом……………………..11 4.4 Ветровая нагрузка на провод без гололеда…………………………………….11 4.5 Ветровая нагрузка на провод с гололедом……………………………………..13 4.6 Результирующая нагрузка на провод при отсутствии гололёда……………...13 4.7 Результирующая нагрузка на провод при ветре и гололеде………………......14 5. Вычисление критических пролетов. Выбор исходного режима…………..15 6. Расчет на прочность и жесткость провода AC400/51………………………16 6.1 Определение напряжений для расчетных режимов……..………….….………16 6.2 Вычисление стрелы провеса провода………………………………….………..18 6.3 Определение критической температуры………………………………………..19 7. Расстановка опор по профилю трассы…………………………….………...20 7.1 Построение разбивочного шаблона…………………………………….……….20 7.2 Правила расстановки опор…………………………………………………….…20 7.3 Проверка правильности расстановки опор по профилю ………………………20 Заключение…………………………………………….…………………………21 Используемая литература…………………………….…………………………22 3 Введение Воздушные ЛЭП служат для передачи и распределения энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и закрепляемым при помощи изоляторов и линейной арматуры на опорах, в отдельных случаях на кронштейнах или на стойках инженерных сооружений. В РФ приняты следующие стандартные напряжения 3-х фазного тока до 1000 В: 127, 220, 380, 500 В, выше 1000 В стандартизованы напряжения: 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ. Расстояние между проводами и заземленными частями опор, а также от проводов до поверхности земли следует принимать таким, чтобы при рабочем напряжении линии была исключена возможность электрических разрядов между проводами, с проводов на опору и на наземные сооружения и предметы. Для этого необходимо обеспечить достаточную электрическую прочность изоляторов и воздушных изоляционных промежутков. Изоляторы и воздушные промежутки должны также с большей степенью надежности исключить электрические разряды при перенапряжениях, которые могут возникать на линии данного напряжения. На линиях 110 кВ и выше необходимо учитывать потери электрической энергии на корону, связанные с ионизацией воздуха около проводов. Эти потери уменьшаются при увеличении диаметра проводов. На линиях 330 кВ и выше для ограничения потерь на корону до приемлемых значений пришлось бы подвешивать провода очень большего диаметра. Потери на корону можно уменьшить, заменив один провод несколькими параллельными проводами, образующими расщепленную фазу. На линиях 330 кВ применяется расщепление провода на 2 провода, на линиях 500 кВ - на 3 провода, на линиях 750 кВ и выше - на 4 или 5 проводов. Изоляторы, служащие для подвески проводов на воздушный ЛЭП разделяются на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы, применяются на линиях напряжением до 35 кВ включительно, устанавливаются на опорах с помощью крюков или штырей. На линиях от 35 кВ и до 110 кВ применяются как штыревые так и подвесные изоляторы, на линиях 110 кВ и выше применяются только подвесные изоляторы. Подвесные изоляторы на стеклянной или фарфоровой изолирующей основе и соединенных с ней металлических элементов, служат для сцепления нескольких изоляторов с линейной арматурой. Ряд последовательно соединенных изоляторов называется гирляндой. Закрепление гирлянд на опорах производится с помощью сцепной арматуры. В зависимости от способа подвески проводов опоры делятся на две основные группы: 1. Опоры промежуточные, на которых провода закрепляются в поддерживающих зажимах. 2. Опоры анкерного типа, служащих для натяжения проводов. На этих опорах провода закрепляются в натяжных зажимах. На воздушных линиях применяются деревянные, железобетонные и металлические опоры. 4 промежуточная опора натяжная гирлянда поддерживающая гирлянда анкерная опора провод пролёт анкерованный пролет пролёт пролёт пролёт анкерованный участок Схема анкерованного участка воздушной линии 5 Раздел 1 Определение физико-механических характеристик провода 1.1. Конструкция провода Обозначение: AC 400/51 АС – сталеалюминевый: 400 и 51 – площади сечения алюминиевой и стальной частей провода (соответственно) в мм2 Таблица 1.1. Конструкция провода Марка провода АС 400/51 Число и диаметр проволоки Алюминиевой Стальной Алюминиевой Стальной Всего части части части части провода 54х3,05 7х3,05 394 51,1 445,1 Разрывное Масса провода, Всего провода усилие, дан кг/км 27,5 11538,5 1490 Расчетный диаметр Стального сердечника 9,2 Расчетное сечение, мм2 Для провода AC 400/51 Электрическое сопротивление при 20 0С, Ом/км 0,075 а=А:C=394/51,1 = 7,71 - алюминиевая проволока - стальная проволока Рис. 1-1 Конструкция провода AC 400/51 6 1.2. Механические характеристики и допускаемые напряжения провода AC 400/51 Таблица 1.2. Марка провода АС 400/51 Предел прочности при растяжении, дан/мм2 27 Приведенная нагрузка от собственной массы, дан/(м∙мм2) 3,34∙10-3 Наибольшее допускаемое напряжение, дан/мм2 12,2 Температурный коэффициент линейного расширения 19,8∙10-6 Модуль упругости, дан/мм2 7,7∙103 Допускаемое напряжение при среднегодовой температуре, дан/мм2 8,1 Сводная таблица физико-механических характеристик провода Таблица 1.3 Величина Наименование параметра 1 2 а Масса 1 км Фактическое сечение Алюминиевой части б Стальной части в Всего 3 Отношение алюминия к стали 4 Диаметр 5 Приведенная нагрузка от собственного веса 6 Модуль упругости 7 Температурный коэффициент линейного расширения 8 Предел прочности при растяжении 9 Допускаемое напряжение а б Максимальная нагрузка, минимальная температура в % от вр При среднегодовой температуре в % от вр Обозначение Единица измерения m кг/км 1490 A мм2 394 C 51,1 445,1 7,71 27,5 3,34∙10-3 E мм2 мм2 а=А:С мм дан м∙мм2 дан/мм2 α град-1 19,8∙10-6 σвр дан/мм2 27 σ дан/мм2 12,2 σmax σtmin =[σr] дан/мм2 12,20 % 45 σtэ дан/мм2 8,1 % 30 d γ1 Провода AC 400/51 7,7∙103 7 Раздел 2 Физико-механические характеристики унифицированной стальной опоры типа П220 – 3 Опора типа П220 – 3 промежуточная, рассчитанная на напряжение 220 кВ, одноцепная. Для заданных климатических условий и провода имеет паспортные данные. Таблица 2.1. Заданные условия Расчетные пролёты, м Масса опоры, кг Тип Район по (без Район по опоры Провод ветровой Габаритный Ветровой Весовой цинка/с гололёду нагрузке цинком) АСП220 – 3 II III 475 520 595 4700/4810 400/51 Примечание: длина поддерживающей гирлянды изоляторов для 220 кВ = 2,4 м Рис. 2.1 Опора П220-3 8 Раздел 3 Определение высоты приведённого центра тяжести провода 3.1. Определение наибольших стрел провеса провода [fпр]. Согласно ПУЭ наименьшее допускаемое расстояние от проводов до земли в ненаселённой местности, доступной для транспорта и сельскохозяйственных машин для напряжения до 220 кВ составляет Г = 7 м. Расчёт грозозащитного троса производится из условия соблюдения расстояний между проводами и тросом в середине пролёта. Наименьшее расстояние по вершинам между тросом и проводом в середине пролёта (ZТ) при температуре 15С без ветра требуемое ПУЭ для lгаб = 475 м составляет 8,125 м. Схема подвеса проводов и троса на опорах h fтр троса Zт hтраверз H h1 h3 h2 fпр Г+∆h Рис. 3.1 H - высота опоры; - длина гирлянды изоляторов; Г - габарит; Δh= (0,2 - 0,4) м – поправка на неровность почвы; ZТ – расстояние между нижними точками провеса провода и троса; [fпр] – допустимая стрела провеса провода. Из рисунка 3.1 видно, что [fпр] = h1 - - Г – Δh = 15,8 м. 3.2. Средняя высота подвеса провода. Для опор башенного типа средняя высота подвеса проводов: h1 h2 h3 hср 25,27 м 3 Высота приведённого центра тяжести провода: h ц.т. прив. hср 2 f пр 14,74 м 3 9 Раздел 4 Определение погонных (единичных) и приведённых удельных нагрузок на элементы воздушных линий электропередач Исходные данные: сталеалюминевый провод AC400/51 для воздушных линий 220 кВ, ветровой район III, район по гололёду II. Провод АС400/51: общее сечение 445,1 мм2, диаметр 27,5 мм, масса одного километра m1 = 1490 кг. Внешние нагрузки на ЛЭП можно разделить на следующие виды: 1) Собственный вес – вертикальная нагрузка 2) Ветровая нагрузка – горизонтальная 3) Гололёдная нагрузка – вертикальная 4) Комбинация перечисленных нагрузок Погонная (единичная) нагрузка – нагрузка на 1 м длины: Pi:[дан/м] Удельная нагрузка – единичная нагрузка, приведённая на 1 мм2 сечения: i:[дан/(м∙мм2)] i PiS , где S – площадь фактического сечения провода или троса. 4.1 Нагрузка от собственного веса P1 P1 m1 1490 дан 1,49 1000 1000 м PS 1 1 1,49 дан 3,34 10 3 445,1 м мм 2 4.2 Единичная нагрузка от веса гололёда P2=0,9Сmax(d+Cmax)∙10-3 d - диаметр троса (провода) Сmax – максимальная толщина стенки гололёда 10 Таблица 4.1 Район по гололеду I Повторяемость 1 раз в 5 лет 1 раз в 10 лет 5 5 II 5 10 III 10 15 IV 15 20 Особый 20 и более Более 22 Р2=0,9∙3,14∙10∙(27,5+10)∙10-3 = 1,06 дан ; м 4.3 Результирующая весовая нагрузка провода с гололёдом Рис.4.3 Провод с гололёдом P1 P2 P3 Р3 = Р1+Р2 = 2,55 дан/м; 3 Р3 2,55 дан 5,73 10 3 S 445,1 м мм 2 4.4 Ветровая нагрузка на провод без гололёда P4 Рис. 4.4 Ветровая нагрузка P4 = α(q)klkhCxqFsin2φ ∙10-3, где: q – скоростной напор ветра 11 Таблица 4.2 Ветровой район I II III IV V 1 раз в 5 лет q v 27 21 35 24 45 27 55 30 70 30 Повторяемость 1 раз в 10 лет q v 40 25 40 25 50 29 65 32 80 36 1 раз в 15 лет q v 55 30 55 30 55 30 80 36 80 36 Для III ветрового района: q = 50 дан/м2; F – площадь сечения метрового отрезка провода в мм2. d 1м F =d = 27,5 мм, d – диаметр провода в мм; φ - угол между направлением ветра и проводом: φ= 900; sin φ = 1; Cx– аэродинамический коэффициент (коэффициент лобового сопротивления), зависит от скорости ветра, плотности воздуха, формы протяжённости и шероховатости обдуваемой поверхности. Сх = 1,1 (q) – коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного напора ветра. Значение (q) Таблица 4.3 q, дан/м2 До 27 40 55 1 0,85 0,75 76 и более 0,7 α (50) = 0,783 kh – коэффициент учитывающий увеличение скоростного напора ветра по высоте (зависит от высоты приведённого центра тяжести провода и троса) 12 Зависимость kh от hцтприв Таблица 4.4 hц.т.прив до 15 20 30 40 60 100 200 300 и более kh 1,0 1,25 1,4 1,55 1,75 2,1 2,6 3,1 kh = 1,0 kl- коэффициент зависящий от длины габаритного пролёта. Зависимость kl от lгаб Таблица 4.5 lгаб, м 0 100 150 более 250 kl 1,2 1,1 1,05 1 kl = 1 Р4 = 0,783∙1∙1,0∙1,1∙50∙27,5∙10-3 = 1,184 дан/м 4.5 Зависимость нагрузки на провод с гололёдом q5 = 0,25q ; 5 =(0,25q) = 1; F = (d+2Сmax) мм; Сх=1,2; Р5 =1∙1∙1,0∙1,2∙0,25∙50∙(27,5+20) ∙10-3 = 0,713 дан/м 4.6 Результирующая нагрузка на провод при отсутствии гололёда P4 P6 P1 P6 P12 P42 1,903дан / м ; 6 Р6 1,903 дан 4,28 10 3 ; S 445,1 м мм 2 10 13 4.7 Результирующая нагрузка на провод при ветре и гололёде P5 P7 P3 P7 P32 P52 2,648дан / м 7 Р7 2,648 дан 5,95 10 3 S 445,1 м мм 2 Единичные и удельные нагрузки на провод Таблица 4.6 Провод Нагрузка P1 ; 1 Pi; дан м i; дан м мм 2 3,34∙10-3 P5 1,49 1,06 2,55 1,184 0,713 P6 ; 6 1,903 4,28∙10-3 P7 ; 7 2,648 5,95∙10-3 P2 P3 ; 3 P4 5,73∙10-3 Вывод: наибольшей нагрузкой на провод является нагрузка P7 ; 7 , т.е. при ветре 0,25q и гололёде. 14 Раздел 5 Вычисление критических пролётов. Выбор исходного режима для расчёта провода. l кр1 4,38[ max ] Е t э t min 0,333[ max ] 4,38 12,2 19,8 10 -6 7,7 103 5 40 0,333 12,2 205,75 м 1 E 3,34 10 3 7,7 103 l кр 2 4,9 [ max ] l кр 3 (t г t min ) 19,8 10 6 (5 40) 4 , 9 12 , 2 319,59 м 2 max 12 35,4025 10 6 11,1556 10 6 4,9[ max ] 0,333[ max ] Е t г t э 1 E ( max 1 2 2,25) 4,9 12,2 3,34 10 3 0,333 12,2 19,8 10 -6 7,7 10 3 5 5 428,62 м 7,7 10 3 (3,17 2,25) Выбор исходного режима Случай Соотношение 1 l1кр l2 кр l3кр 2 l1кр l2кр l3кр 3 4 l1кр мнимый l2 кр l3кр l3кр мнимый l1кр l2кр Таблица 5.1 Исходное Напряжение t min ; max ; tэ Расчётный критический пролёт l1кр ; l2кр t min ; max l2 кр tэ ; max l3кр t min ; tэ l1кр Вывод: выполняется условие l1кр l2 кр l3кр , следовательно, max - исходное напряжение. 15 Раздел 6 Расчёт на прочность и жёсткость провода АС400/51 6.1 Определение напряжений для расчётных режимов i 2 i2 El 2 исх El 2 E t i t исх , исх 2 24 i2 24[ исх ] Исходный режим: дан ; t исх t г 5о С ; 2 м мм σисх = [σmax] = 12,2 дан/мм2 исх max 5,95 10 3 Расчётные режимы провода Расчетный режим, i Сочетание климатических условий Таблица 6.1 Номер нагрузки дан/(м∙мм2) I Провод покрыт гололёдом, 7 5,95∙10-3 о скоростной напор ветра 0,25q, tI = tг =-5 С II Провод покрыт гололёдом, ветра нет, tII = tг =-5оС 3 5,73∙10-3 III Скоростной напор ветра q, гололёда нет, tIII=tг =-5оС 6 4,28∙10-3 IV Среднегодовая температура, ветра и гололёда нет, tIV = tэ =-5оС IV 1 3,34∙10-3 V Ветра и гололёда нет, tV = tгр. = 15оС V 1 3,34∙10-3 VI Ветра и гололёда нет, tVI=tmin = -40оC VI 1 3,34∙10-3 VII Ветра и гололёда нет, tVII = tmax = 30оC VII 1 3,34∙10-3 Режим I (исходный): σI = σисх = [σmax] = 12,2 дан/мм2 Режим II: tII = tг =-5оС, 3 5,73∙10-3 дан/(м∙мм2) II 32,83 10 6 7,7 10 3 475 2 35,4 10 6 7,7 10 3 475 2 12 , 2 0 24 148,84 24 II2 16 II2 ( II 5,02) 2376,5 Методом перебора получим: σII = 11,86 дан/мм2 Режим III: q, tIII = tг =-5оС, 6 4,28∙10-3 дан/(м∙мм2) III 18,32 10 6 7,7 10 3 475 2 35,4 10 6 7,7 10 3 475 2 12,2 2 24 148,84 24 III III2 ( III 5,02) 1326,15 σIII = 9,54 дан/мм2 Режим IV: tIV = tэ =-5оС, IV 1 3,34∙10-3 дан/(м∙мм2) IV 11,1556 10 6 7,7 10 3 475 2 35,4 10 6 7,7 10 3 475 2 12 , 2 24 148,84 24 IV2 IV2 ( IV 5,02) 807,5 σIV = 7,91 дан/мм2 Режим V: tV = tгр. = 15оС, V 1 3,34∙10-3 дан/(м∙мм2) 11,1556 10 6 7,7 10 3 475 2 35,4 10 6 7,7 10 3 475 2 12 , 2 19,8 10 6 7,7 10 3 (15 5) 2 24 148,84 24 V V V2 ( V 8,07) 807,5 σV = 7,26 дан/мм2 Режим VI: tVI=tmin = -40оC, VI 1 3,34∙10-3 дан/(м∙мм2) VI 11,1556 10 6 7,7 10 3 475 2 35,4 10 6 7,7 10 3 475 2 12 , 2 19,8 10 6 7,7 10 3 (40 5) 2 24 148,84 24 VI 17 VI2 ( VI 0,3) 807,5 σVI = 9,41 дан/мм2 Режим VII: tVII = tmax = 30оC, VII 1 3,34∙10-3 дан/(м∙мм2) VII 11,1556 10 6 7,7 10 3 475 2 35,4 10 6 7,7 10 3 475 2 12,2 19,8 10 6 7,7 10 3 (30 5) 2 24 148,84 24 VII 2 VII ( VII 10,36) 807,5 σVII = 6,85 дан/мм2 6.2 Вычисление стрелы провеса провода il 2 8 i l2 5,95 10 3 475 2 fI 7 13,755 м 8[ max ] 8 12,2 fi 3l 2 5,73 10 3 475 2 f II 13,626 м 8 II 8 11,86 f III 6 l 2 4,28 10 3 475 2 12,65 м 8 III 8 9,54 f IV 1l 2 3,34 10 3 475 2 11,9 м 8 IV 8 7,91 1l 2 3,34 10 3 475 2 fV 12,975 м 8 V 8 7,26 1l 2 3,34 10 3 4752 fVI 10,01м 8 VI 8 9,41 fVII 1l 2 3,34 10 3 4752 13,752 м 8 VII 8 6,85 18 Напряжения и стрелы провеса провода в расчётных режимах Таблица 6.2 № режима i, дан мм 2 [ max ], дан мм 2 fi , м I 12,2 13,755 II 11,86 13,626 III 9,54 12,65 IV 7,91 V 7,26 12,975 VI 9,41 10,01 VII 6,85 13,752 12,2 11,9 [fпр], м 15,8 Выводы: 1) Для всех режимов условие прочности провода выполняются. 2) Условия жесткости выполняются во всех режимах. 6.3 Определение критической температуры t кр t г max 1 1 5 E 3 12,2 3,34 (1 ) 28,4 0 С 6 3 5,73 19,8 10 7,7 10 tmax = 30°C 19 Раздел 7 Расстановка опор по профилю трассы 7.1 Построение разбивочного шаблона 2 х 1- кривая провисания, строится по уравнению yш К ш ш , 100 где К ш масштабный коэффициент шаблона; К ш 4 f max 10 4 lш2 , где f max 15,8 м - максимальная стрела провеса провода, lш l габ 475 м К ш 2,8; 2 - габаритная кривая, hгаб Г h 7,3 м; 3 - земляная кривая, ho h1 23,1 м; Данные для построения параболы шаблона X Y 0 0 50 0,7 100 2,8 150 6,3 200 11,2 Таблица 7.1 237,5 15,8 7.2 Правила расстановки опор 1. Профиль трассы строится произвольно. Расстановка опор производится по длине анкерованного участка, и место установки первой анкерной опоры выбирается произвольно. 2. Шаблон устанавливается строго вертикально. 3. Левая ветвь земляной кривой 3 пересекает точку установки первой промежуточной опоры. 4. Шаблон устанавливается так, чтобы габаритная кривая 2 касалась профиля трассы, тогда точка пересечения правой ветви земляной кривой (3) с профилем трассы будет местом установки следующей опоры. 7.3 Проверка правильности расстановки опор l1 = 415 м, l2 = 405 м, l3 = 455 м, l4 = 485 м Пролёт, равный полусумме пролётов, прилегающих к одной опоре, называется ветровым: lветр1 l1 l 2 410 м; lветр2 430 м ; l в етр3 470 м 2 n Приведенный пролет: l прив l прив l габ l габ li3 n 443,5 м li 100% 6,63% 10% 20 Заключение В ходе выполнения курсового проекта были проделаны проверочные расчёты на прочность и жёсткость одноцепной воздушной линии электропередачи напряжением 220 кВ, проходящей по ненаселённой местности. ВЛЭП спроектирована на промежуточных опорах типа П220 – 3 с использованием провода марки AC 400/51, грозозащитного троса ТК-12,0 и подвесных изоляторов. С помощью разбивочного шаблона произведена разметка профиля трассы ЛЭП и расстановка опор. 21 Используемая литература: 1.Крюков К.П., Новгородцев Б.П. «Конструирование и механический расчёт ЛЭП» «Энергия», 1979 2. «ПУЭ- 87» 3. Справочник по электротехническим установкам высокого напряжения, под редакцией Баумштейна и Бажанова, Москва, Энергоатомиздат, 1989 4. Справочник по сооружению ЛЭП напряжением 45-750 кВ, под редакцией Реута М.А., Москва, Энергоатомидат, 1990 22
