Курсовая работа: Расчет и проектирование воздушных линий электропередач
Название: Расчет и проектирование воздушных линий электропередач Раздел: Рефераты по физике Тип: курсовая работа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Содержание 2 Определение физико-механических характеристик провода и троса. 5 3 Выбор унифицированной опоры.. 7 4 Расчет проводов и троса на механическую прочность. 9 4.1 Определение толщина стенки гололеда и величины скоростного напора ветра 9 4.2 Определение удельных нагрузок на провод и трос. 11 4.3 Расчет критических пролетов. 13 4.4 Расчет напряжений в проводе. 15 4.5 Определение стрелы провеса проводов и троса. 17 4.6 Определение напряжений в тросе. 18 5 Выбор изоляторов и линейной арматуры.. 21 6 Расстановка опор по профилю трассы.. 28 6.2 Проверка опор на прочность. 31 7 Расчет монтажных стрел провеса провода и троса. 34 Проектирование механической части воздушных линий электропередачи является важной частью проектирования электроснабжения. От правильного выбора элементов ЛЭП зависит долговременная и безопасная эксплуатация линий, и, соответственно, надежное и качественное электроснабжение потребителей. В данном курсовом проекте рассмотрены основные этапы проектирования механической части воздушных ЛЭП: выбор промежуточных опор, механический расчет проводов и грозозащитного троса, выбор линейной арматуры, произведены расстановка опор по профилю трассы и расчет монтажных стрел провеса. Тип ЛЭП: двухцепная воздушная линия напряжением 110 кВ, проходящая в ненаселенной местности. Климатические условия: район по ветру – II; район по гололеду – IV; температура: высшая tmax=40°С; низшая tmin= -10°С; среднегодовая tср=5°С. Тип опор: унифицированные железобетонные. Марки провода: АС-150. Марка грозозащитного троса: ТК-50. Материал изоляторов: фарфор Степень загрязненности атмосферы I.
2 Определение физико-механических характеристик провода и троса Физико-механические характеристики провода и троса приведены в таблицах 2.1 и 2.2. Таблица 2.1 - Физико-механических характеристики провода АС-150/24
Таблица 2.2 - Физико-механических характеристики троса ТК-50
3 Выбор унифицированной опоры По исходным данным выбирается тип унифицированной промежуточной опоры ПБ110-8. Основные размеры опоры показаны на рисунке 3.1, технические характеристики опоры приведены в таблице 3.1. H=26,0м; h1=3,0м; h2=13,5м; h3=4,0м; a1=2,0м; a2=3,5м; a3=2,0м; b=3,3м Рисунок 3.1 – Унифицированная железобетонная опора ПБ110-8 Таблица 3.1 – Технические характеристики опоры ПБ110-8
Расчетный пролет, м, lр=α·lгаб, где α=0,9 для ненаселенной местности; lр=0,9·225=202,5. 4 Расчет проводов и троса на механическую прочность 4.1 Определение толщина стенки гололеда и величины скоростного напора ветра Средняя высота подвеса проводов на опоре, м, , (4.1) где hi – расстояние от земли до j-ой траверсы опоры, м; m – количество проводов на опоре; λ – длина гирлянды изоляторов, м. Для предварительных расчетов длина гирлянды изоляторов принимается для ВЛ 110 кВ 1,3 м. =16,2. Средняя высота подвеса троса на опоре, м, =h2+2·h3+h1, (4.2) =13,5+2·4+3=24,5. Допустимая стрела провеса провода, м, , (4.3) где h2 – расстояние от земли до нижней траверсы, м; Г – габаритный размер, м; =6,2. Допустимая стрела провеса троса, м, [fт]= -(Г+2·h3+z), (4.4) где z – наименьшее допустимое расстояние по вертикали между проводом и тросом в середине пролета, м, для lр=202,5 м z=4; [fт]=24,5-(6+2·4+4)=6,5. Высота приведенного центра тяжести провода и троса, м, , (4.5) =12; =20,2 Толщина стенки гололеда для провода и троса, мм, , (4.6) где С – нормативное значение стенки гололеда, мм, (для 2-го района по гололеду С=10 мм); - поправочные коэффициенты на высоту и диаметр провода или троса =9,3; =10,2. Скоростной напор ветра на провод и трос, даН/м2, , (4.7) где q – нормативный скоростной напор ветра, даН/м2; kВ – поправочный коэффициент; =65; =81,25. 4.2 Определение удельных нагрузок на провод и трос Удельная нагрузка от собственного веса, даН/(м∙мм2), берется из таблиц 2.1 и 2.2: 3,46·10-3; 8·10-3. Удельная нагрузка от веса гололеда, даН/(м∙мм2), , (4.8) где в – диаметр провода или троса, мм; F – фактическое сечение провода или троса, мм2; g0=0,9·10-3 даН/(м∙мм2) – плотность гололедных отложений; =4·10-3; =11,4·10-3. Удельная нагрузка от веса гололеда и собственного веса провода (троса), даН/(м∙мм2), , (4.9) ·10-3=7,46·10-3; ·10-3=19,4·10-3. Удельная нагрузка от давления ветра при отсутствии гололеда, даН/(м∙мм2), , (4.10) где kl – коэффициент, учитывающий влияние длины пролета на ветровую нагрузку; kH – коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного напора ветра по пролету; СХ – коэффициент лобового сопротивления, равный 1,1 – для проводов диаметром 20 мм и более, свободных от гололеда; 1,2 – для всех проводов, покрытых гололедом, и для проводов диаметром меньше 20 мм, свободных от гололеда; =5,7·10-3; =13,1·10-3. Удельная нагрузка от давления ветра на провод и трос при наличии гололеда, даН/(м∙мм2), , (4.11) где q′=0,25∙qmax для районов с толщиной стенки гололеда до 15 мм; =4,1·10-3; =15,1·10-3. Удельная нагрузка от давления ветра и веса провода (троса) без гололеда, даН/(м∙мм2), , (4.12) ·10-3=6,7·10-3; ·10-3=15,3·10-3. Удельная нагрузка на провод от давления ветра и веса провода, покрытого гололедом, даН/(м∙мм2), (4.13) =8,5·10-3; =24,6·10-3. 4.3 Расчет критических пролетов Первый критический пролет, м, , (4.14) где Е – модуль упругости, даН/мм2; α – температурный коэффициент линейного удлинения материала провода, град-1; lk1=. Выражение под корнем меньше нуля. Первый критический пролет – мнимый. Второй критический пролет, м, , (4.15) где tгол – температура гололеда, равная -5ºС; γmax=γ7; =80,4. Третий критический пролет, м, , (4.16) =144,2. В результате получается следующее соотношение критических пролетов и расчетного пролета: lк1 – мнимый, lр=202,5 м>lк3=144,2 м. На основании полученных соотношений определяется исходный режим. Это режим максимальной нагрузки с параметрами: σ=[σγ.max]=13,0 даН/мм2, γ=γmax=8,5·10-3 даН/(м·мм2), t=tгол=-5°С. 4.4 Расчет напряжений в проводе По уравнению состояния провода рассчитываются напряжения в проводе для режимов среднегодовой температуры – σtср, режима низшей температуры – σtmin и наибольшей нагрузки – σγmax. Расчет напряжения в проводе для режима низшей температуры. В уравнение состояния провода подставляются все известные параметры. , (4.17) . Полученное уравнение приводится к виду: Решение полученного уравнения выполняется итерационным методом касательных. В качестве нулевого приближения принимается значение σ0=10 даН/мм2. Производная полученной функции y=: y’=3·σ2tmin-2·7,766·σtmin Определяется поправка на первой итерации: Δ1=y(σ0)/y’(σ0), =0,378. Новое значение напряжения: σ1=σ0-Δ1, σ1=10-0,377=9,623. Проверка итерационного процесса. Для этого задается точность расчета ε=0,01 даН/мм2. 0,377>0,01, следовательно расчет нужно продолжить, приняв в качестве нового приближения σ=9,623. Поправка на второй итерации: =0,025. Новое значение напряжения: σ2=9,623-0,025=9,598. Выполняется проверка: 0,025>0,01. Поправка на третьей итерации: =0,00013. Проверка: 0,00013<0,01, следовательно за искомое выражение σtmin принимаем σ3: σtmin=9,598 даН/мм2. Расчеты напряжений в проводе для режимов среднегодовой температуры и наибольшей нагрузки выполняются с помощью программы «MERA2». В результате получены следующие значения: σtср=7,987 даН/мм2; σγmax=12,517 даН/мм2. Выполняется проверка условий механической прочности: σtср≤[σtср], 7,987<8,7; σtmin≤[σtmin], 9,598<13,0; σγmax≤[σγmax], 12,517<13,0. Условия выполняются, значит механическая прочность проводов будет достаточной для условий проектируемой линии. По уравнению состояния провода выполняются расчеты напряжений для режимов гололеда без ветра –σгол, высшей температуры – σtmax, грозового режима – σгр. Результаты расчетов следующие: σtmax=5,475 даН/мм2; σгол=12,277 даН/мм2; σгр=7,129 даН/мм2. 4.5 Определение стрелы провеса проводов и троса Определяются стрелы провеса проводов в режиме гололеда без ветра, высшей температуры и грозовом режиме, м, , (4.18) =3,24; =3,11; =2,49. Проверка соблюдения требуемых расстояний от низшей точки провисания провода до земли по условию: f≤[f]=6,2; ftmax=3,24<6,2; fгол=3,11<6,2. Условия выполняются, значит расстояние от провода до земли будет не менее габаритного размера. Стрела провеса грозозащитного троса в грозовом режиме, м, , (4.19) =2,79. 4.6 Определение напряжений в тросе Напряжение в тросе в грозовом режиме, даН/мм2, , (4.20) =14,7. В качестве исходного принимается грозовой режим с параметрами: σтгр, γт1, t=15°C. По уравнению состояния провода определяются напряжения в тросе для режимов максимальной нагрузки, низшей и среднегодовой температуры. Расчет напряжения в тросе для режима среднегодовой температуры. В уравнение состояния провода подставляются все известные параметры. . Полученное уравнение приводится к виду: . В качестве нулевого приближения принимается значение σ0=16 даН/мм2. Производная полученной функции y=: y’=3·σт2tср-2·6,979·σтtср Определяется поправка на первой итерации: Δ1=y(σ0)/y’(σ0), =0,225. Новое значение напряжения: σ1=σ0-Δ1, σ1=16-0,225=15,775. Проверка итерационного процесса, ε=0,01 даН/мм2. 0,225>0,01, следовательно расчет нужно продолжить, приняв в качестве нового приближения σ=15,775 Поправка на второй итерации: =0,003. Проверка: 0,003<0,01, следовательно за искомое выражение σтtср принимаем σ1: σтtср=15,775 даН/мм2. В результате расчетов остальных режимов получены следующие значения: σтγmax=31,476 даН/мм2; σтtmin=17,606 даН/мм2. Проверка условий механической прочности троса: σтγmax=31,476 даН/мм2≤ [σтγmax]=60 даН/мм2; σтtmin=17,606 даН/мм2≤ [σтtmin]=60 даН/мм2; σтtср=15,775 даН/мм2≤ [σтtср]=42 даН/мм2. Условия выполняются, значит выбранный провод пригоден для условий проектируемой линии. 5 Выбор изоляторов и линейной арматуры Тип изолятора выбирается по механической нагрузке с учетом коэффициента запаса прочности, который представляет собой отношение разрушающей электромеханической нагрузки к нормативной нагрузке на изолятор. Согласно ПУЭ, коэффициенты запаса прочности в режиме наибольшей нагрузки должны быть не менее 2,7, а в режиме среднегодовой температуры – не менее 5,0. В нормальных режимах поддерживающая гирлянда изоляторов воспринимает осевую нагрузку, состоящую из веса провода, гололеда и веса самой гирлянды. Нагрузка для изоляторов поддерживающих гирлянд, даН, 2,7·(Gг+Gи)≤ Gэм, 5,0·(Gп+Gи)≤Gэм, (5.1) где Gг – нагрузка на изолятор от веса провода, покрытого гололедом, даН, Gг=γ7·F·lвес, (5.2) где lвес=280 м – длина весового пролета; F – общее фактическое сечение провода, мм2; Gи – нагрузка на изолятор от веса гирлянды, даН, предварительно Gи=50 даН; Gп – нагрузка на изолятор от веса провода, даН, Gп=γ1·F·lвес, (5.3) Тогда 2,7·( γ7·F·lвес+ Gи)=2,7·(8,5·10-3·173,2·280+50)=1248; 5,0·( γ1·F·lвес+ Gи)=5,0·(3,46·10-3·173,2·280+50)=1089. Выбирается изолятор с такой разрушающей электромеханической нагрузкой, чтобы выполнялись условия (5.1). Выбирается изолятор ПФ70-В с разрушающей электромеханической нагрузкой 7500 даН: 1248<7500; 1089<7500, т.е. условия выполняются. Определяется число изоляторов в поддерживающей гирлянде, n≥, (5.4) где λэф – нормированная удельная эффективная длина пути утечки. Для степени загрязненности атмосферы I λэф=13 мм/кВ; Uнаиб=1,15·Uном; lэф – эффективная длина пути утечки, мм, lэф=lут/k, (5.5) где lут =355 мм для выбранного изолятора; k – поправочный коэффициент, k=, (5.6) где в – диаметр тарелки изолятора, D=270 мм; k==1,157; lэф=355/1,157=306,8; n≥=5,4. Полученное значение округляется до шести и увеличивается на один. В итоге число изоляторов в поддерживающей гирлянде равно семи. При выборе изоляторов натяжных гирлянд в условия (5.1) добавляется величина тяжения провода. Нагрузка на изолятор натяжной гирлянды, даН, , (5.7) =5894, =6949. Выбирается изолятор ПФ70-В с разрушающей электромеханической нагрузкой 7500 даН: 5894<7500; 6949<7500, т.е. условия выполняются. Число изоляторов в натяжной гирлянде принимается на один больше, чем в поддерживающей, т.е. восемь штук. Выбор арматуры аналогичен выбору изоляторов. Коэффициент запаса прочности для условий гололеда должен быть не менее 2,5. Нагрузка на арматуру поддерживающей гирлянды, даН, 2,5·(Gг+Gи)≤ Gр, (5.8) 2,5·(8,5·10-3·173,2·280+50)=1156. Выбирается узел крепления гирлянды к траверсе опоры КГП-7-1, серьгу СР-7-16, ушко У1-7-16 с разрушающей минимальной нагрузкой 70 кН; глухой поддерживающий зажим ПГН-3-5 с минимальной разрушающей нагрузкой 25 кН. Нагрузка на арматуру натяжной гирлянды, даН, , (5.9) =5457. Для натяжной гирлянды выбирается та же арматура что и для поддерживающей. Для натяжной гирлянды выбираем болтовой зажим. Изолятор и линейная арматура изображены на рисунках 5.1-5.5. Рисунок 5.1 – Изолятор ПФ70-В Рисунок 5.2 – Узел крепления КГП-7-1 D=16 мм; А=17 мм; d=16 мм; L=80 мм; Н1=32 мм; Н=82 мм Рисунок 5.3 – Зажим поддерживающий ПГН-3-5 L=220 мм; А=20 мм; Н=66 мм Рисунок 5.4 – Серьга СР-7-16 D=17 мм; d=16 мм; А=65 мм; b=16 мм Рисунок 5.5 – Ушко У1-7-16 D=17 мм;D1=19,2 мм; b=16 мм; Н=104 мм Фактический вес поддерживающей гирлянды, даН, , (5.10) где Gиз – вес одного изолятора, даН; Gарм – суммарный вес элементов арматуры, даН; =37,81. Фактическая длина поддерживающей гирлянды, м, , (5.11) где Низ – высота одного изолятора, м; Нарм – суммарная высота элементов арматуры, м; =1,339. Получили λгир.ф =1,339 больше, чем принятое в расчетах λ=1,3. Проверка соблюдения габарита. Пересчитанная допустимая стрела провеса, м, , =6,161. Проверка соблюдения требуемых расстояний от низшей точки провисания провода до земли по условию: f≤[f]=6,161, ftmax=3,24<6,161. Условие соблюдается, т.е. такая длина гирлянды допустима. Защита от вибрации осуществляется с помощью гасителей вибрации, представляющих собой два груза, закрепленных на стальном тросике (рисунок 5.6). Рисунок 5.6 – Гаситель вибрации ГПГ-1,6-11-400/21 d=11 мм; 2R=21 мм; L=400 мм; H=78 мм Выбор гасителя вибрации осуществляется с учетом марки и сечения провода. Выбирается гаситель вибрации ГПГ-1,6-11-400/21. Для грозозащитного троса гаситель вибрации не требуется, так как σтtср<18,0 даН/мм2. Расстояние от зажима до места крепления виброгасителя, мм, , (5.12) где в – диаметр провода, мм; Gп – вес одного метра провода, даН; =1067,4 мм≈1,07 м. 6 Расстановка опор по профилю трассы
6.1 Построение шаблона 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. В п. 4.5 была определена максимальная стрела провеса, которая соответствует режиму максимальной температуры, fmax=3,24 м. Кривая 1 – кривая провисания нижнего провода – строится на основе формулы стрелы провеса: , (6.1) где γfmax, σfmax – удельная нагрузка и напряжение в проводе в режиме, отвечающем наибольшей стреле провеса. Данная формула представляется в виде уравнения: y=a·x2, (6.2) где ; a=. Для режима максимальной температуры уравнение примет вид: , Для построения кривой 1 в 1-ом квадранте выполняется несколько расчетов, представленных в виде таблицы 6.1. Таблица 6.1 – Построение кривой 1
Кривая 2, называемая габаритной, сдвинута о вертикали вниз от кривой 1 на расстояние требуемого габарита от земли Г=6 м. Кривая 3 – земляная – сдвинута от кривой 1 вниз на расстояние h2-λгир.ф=13,5-1,339=12,161 м (рисунок 6.1). Рисунок 6.1 – Построение шаблона Шаблон накладывают на профиль трассы так, чтобы кривая 3 пересекала профиль в месте установки первой анкерной опоры, а кривая 2 касалась его, при этом ось у должна быть строго вертикальной. Тогда другая точка пересечения кривой 3 с профилем будет соответствовать месту установки первой промежуточной опоры. При таком положении шаблона во всех точках пролета габарит будет не меньше допустимого. Аналогично находится место установки второй промежуточной опоры и т.д. После монтажа анкерного участка в проводах происходит выравнивание напряжения, которое соответствует какому-то условному пролету. Этот пролет называется условным, и его длина, м, определяется из выражения: , (6.3) где li – фактическая длина i-го пролета в анкерном участке, м; n – количество пролетов в анкерном участке; =166. В результате расчетов получили что lпр отличается от lр на ∙100%=18%, что больше допустимых 5%. В таком случае заново проводится механический расчет, построение шаблона и расстановка опор на трассе. Для данного курсового проекта допускается изменить расстановку опор без проведения повторного механического расчета. Построение нового шаблона. , Для построения кривой 1 в 1-ом квадранте выполняется несколько расчетов. Таблица 6.2 – Построение кривой 1
Новая расстановка опор показана на рисунке 6.3. Приведенный пролет, м, =132 Проверка: ∙100%=20%. В результате повторного расчета разница между приведенным и расчетным пролетом снова велика. Расчет повторяется до тех пор пока разница между значениями пролетов будет не более 5%. 6.2 Проверка опор на прочность При расстановке опор по профилю трассы все они должны быть проверены на прочность в реальных условиях. Проверка выполняется сопоставлением вычисленных для каждой опоры весового и ветрового пролетов со значениями этих пролетов, указанных в технических характеристиках опоры. Весовой пролет, м, , (6.4) где эквивалентные пролеты вычисляются по формулам: -первый (большой) эквивалентный пролет, м, , (6.5) -второй (малый) эквивалентный пролет, м, , (6.6), где l – действительная длина пролета, м; Δh – разность между высотами точек подвеса провода, м; Смежными эквивалентными пролетами, прилегающими к опоре, могут быть и два больших или два малых эквивалентных пролета. Тогда выражение (6.4) будет иметь вид: ; или . Ветровой пролет, м, . (6.7) Расчет для второй опоры. =108,4; =206,9; =157,6; =141,0. Для остальных опор расчет сводится в таблицу 6.2. Таблица 6.2 – Проверка опор на прочность
Таким образом, для каждой опоры выполняются условия 7 Расчет монтажных стрел провеса провода и троса Определяется исходный режим из соотношений трех критических пролетов и приведенного пролета: lк1 – мнимый, lпр=166 м>lк3=144,2 м. На основании полученных соотношений определяется исходный режим. Это режим максимальной нагрузки с параметрами: σи=[σγ.max]=13,0 даН/мм2, γи=γmax=8,5·10-3 даН/(м·мм2), tи=tгол=-5°С. Расчет напряжения при монтаже осуществляется с помощью уравнения . (7.1) Стрела провеса провода в интересующем пролете lф, м, определяется из выражения , (7.2). Тяжение провода, даН, рассчитывается по формуле , (7.3) С помощью уравнения состояния рассчитывается напряжение в проводе при температуре монтажа tmax=40°C и tmin=-10°C. при tmax=40°C: . Полученное уравнение приводится к виду: . =5,53 даН/мм2. Тяжение в проводе, даН, , =957,8. при tmin=-10°C: . Полученное уравнение приводится к виду: . =10,74 даН/мм2. Тяжение в проводе, даН, =1860,2 даН. Для наибольшего пролета lmax=194 м и наименьшего пролета lmin=125 м по формуле (7.2) рассчитываются стрелы провеса при максимальной и минимальной температурах, м, lmax=194 м =2,94; =1,52; lmin=125 м =1,22; =0,63. Расчет при других температурах выполняется аналогично, результаты заносятся в таблицу 7.1. Стрела провеса провода в габаритном пролете при температуре 15°С, м, , (7.4) =2,84. Исходные данные для троса: σтгр=14,7 даН/мм2, γт1=8·10-3 даН/(м·мм2), t=15°C. Стрела провеса троса в габаритном пролете в режиме грозы исходя из требуемого расстояния z для габаритного пролета, м, , (7.5) =3,104. Определяется величина напряжения в тросе по известной величине fтгр, даН/мм2, , (7.6) =16,3. Определяются напряжения в тросе при температуре монтажа из уравнения состояния, принимая в качестве исходного грозовой режим. , (7.7) Для наибольшего пролета lmax=194 м и наименьшего пролета lmin=125 м рассчитываются стрелы провеса троса, м, , (7.8) , (7.9) Тяжение в тросе, даН, , (7.10) Расчет для температуры -10°С. Полученное уравнение приводится к виду: . =20,33 даН/мм2. Тяжение в тросе, даН, =988 даН. Стрела провеса при lmax=194 м, м, =1,85. Стрела провеса при lmin=125 м, м, =0,77. Расчет при других температурах выполняется аналогично, результаты заносятся в таблицу 7.2. Таблица 7.1 – Монтажная таблица провода
Таблица 7.2 – Монтажная таблица троса
Монтажные графики для провода и троса изображены на рисунках 7.1 и 7.2. Рисунок 7.1 – Монтажные графики для провода Рисунок 7.2 – Монтажные графики для троса В данном курсовом проекте были рассмотрены основные этапы проектирования механической части воздушных ЛЭП: выполнены выбор промежуточных опор, механический расчет проводов и грозозащитного троса, выбор линейной арматуры, произведены расстановка опор по профилю трассы и расчет монтажных стрел провеса. В ходе выполнения данного курсового проекта получены навыки пользования справочными материалами и нормативными документами, а также навыки выполнения самостоятельных инженерных расчетов с привлечением прикладного программного обеспечения персональных компьютеров. 1. Правила устройства электроустановок. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2001. – 928 с. 2. Проектирование механической части воздушных ЛЭП. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. – Киров, 2004.-99 с. |