Главная » Литература » Сооружения » Крюков - Конструкции и механический расчет линий электропередачи
Крюков - Конструкции и механический расчет линий электропередачи
Крюков К.П., Новгородцев Б. П.
Конструкции и механический расчет линий электропередачи.— 2-е изд. 1979.
В книге рассмотрены конструкции проводов и грозозащитных тросов, опор линий электропередачи, их фундаментов и оснований способы расчета этих конструкций, а также приведены сведения о грозозащите линии, о заземлениях опор и об основных требованиях, предъявляемых Правилами устройства электроустановок и СНиП к воздушным линиям электропередачи. Первое издание вышло в
Книга является учебником для учащихся техникумов по специальности «Строительство и монтаж линии электропередачи и подстанции», может быть использована как учебное пособие студентами вузов, а также полезна инженерам и техникам, работающим в области линий электропередачи.
ПРЕДИСЛОВИЕ
За время, прошедшее с момента выхода первого издания книги
В области проектирования развивается применение вычислительной техники вообще и программ расчета на ЭВМ в частности. Тем не менее, для правильного применения типовых и унифицированных конструкций, а также для разработки индивидуальных конструкций необходимо знать основы проектирования и механического расчета линий электропередачи. Во втором издании книги указаны обозначения проводов по ГОСТ 839—74 и метод их расчета при допускаемых напряжениях поПУЭ-76.
Кроме того, в данном издании использована система единиц СИ. При этом для удобства сравнения с единицами МКС, которые сохранены в действующих ГОСТ, СНиП и других нормативных документах, приняты соотношения, кратные десяти: 1 кгс = •= 10 Н = 1 даН. Такая же система пересчета 1 кгс = 1 даН принята в пятом издании ПУЭ. Для удобства сравнения с другими нормативными документами, в которых нормируемые величины указаны в килограмм-силах, в отдельных параграфах книги после обозначений «даН» приведены в скобках обозначения «кгс». Книга состоит из десяти глав; приводимые во всех главах, за исключением десятой, примеры расчета могут служить основой для выполнения учащимися заданий на практических занятиях, а также в курсовых проектах
Главы I—V и X написаны Б. П. Новгородцевым, главы VI—IX — К. П. Крюковым; введение написано авторами совместно.
ВВЕДЕНИЕ
Воздушные линии электропередачи служат для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и закрепляемым при помощи изоляторов и линейной арматуры на опорах, а в отдельных случаях — на кронштейнах или на стойках инженерных сооружений (мосты, дымовые трубы, здания и др.).
В СССР ежегодно сооружается более 25 тыс. км линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше, а также 200 тыс. км линий более низких напряжений. Цель строительства линий напряжением 220 кВ и выше является объединение энергосистем СССР, позволяющее уменьшить установленную мощность электростанций за счет объединения резервов. Строительство линий более низких напряжений производится для подключения к общегосударственной сети новых потребителей, в том числе сельскохозяйственных.
Питание сельских населенных пунктов от государственной сети значительно надежнее и экономичнее, чем от местных электростанций небольшой мощности. Выполнение поставленных задач невозможно без механизации строительно-монтажных работ и без применения типовых конструкций опор и фундаментов. Поэтому в настоящее время в СССР при сооружении большей части линий применяются типовые конструкции опор и фундаментов, а индивидуальные конструкции — лишь в редких случаях.
В СССР и за рубежом разработаны специальные правила и стандарты для проектирования и сооружения линий электропередачи. Основные требования, предъявляемые в СССР к линиям электропередачи, определяются действующими Правилами устройства электроустановок — ПУЭ [10], согласно которым линии подразделяются на две категории по напряжениям: до 1000 В и выше 1000 В. Проектирование и сооружение опор и фундаментов линий как строительных конструкций производится на основании Строительных норм и правил — СНиП [20].
В СССР приняты следующие стандартные напряжения -трехфазного тока до 1000 В: 127, 220, 380 и 500 В. В диапазоне выше 1000 В A кВ) стандартизованы напряжения 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ. Наряду с линиями трехфазного тока сооружаются также линии электропередачи постоянного тока.
Расстояния между проводами, между проводами и заземленными частями опор, а также от проводов до поверхности земли следует принимать такими, 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 большой степенью вероятности исключать электрические разряды при перенапряжениях, которые могут возникать на линии данного напряжения. Основными элементами воздушных линий являются провода, изоляторы, линейная арматура, опоры и фундаменты. Дополнительными элементами, необходимыми на некоторых линиях для обеспечения надежности их работы, являются грозозащитные тросы, заземления, разрядники и др. На линиях электропередачи можно подвешивать сталеалюминевые, алюминиевые, алдреевые, медные, бронзовые, сталебронзовые и стальные провода. В настоящее время в СССР на линиях напряжением выше 1000 В в большинстве случаев применяются сталеалюминевые провода. Алюминиевые провода часто подвешиваются на линиях напряжением до 35 кВ включительно и в отдельных случаях — на линиях 110 кВ. Стальные провода приценяются на линиях до 1000 В, а также на сельских линиях до 36 кВ. Медные, бронзовые и сталебронзовые провода практически не используются вследствие дефицитности меди.
На линиях напряжением 110 кВ и выше необходимо учитывать потери электрической энергии на корону, связанные с ионизацией воздуха около проводов. Эти потери уменьшаются при увеличении диаметра провода. Поэтому для линий ПО кВ следует применять провода диаметром не менее
Провода очень большого диаметра. Потери на корону можно уменьшить, заменив один провод несколькими параллельными проводами, образующими так называемую расщепленную фазу. На линиях 330 кВ обычно применяется расщепление фазы Н| два провода, на линиях 500 кВ — на три и на линиях 750 кВ — HI четыре или пять проводов. Грозозащитные тросы, как правило, представляют собой стальные канаты, свитые из нескольких проволок; иногда подвешиваются сталеалюминевые грозозащитные тросы.
Изоляторы, служащие для подвески проводов на воздушных линиях, подразделяются на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы, применяемые на линиях напряжением до 35 кВ включительно, устанавливаются на опорах. С помощью крюков или штырей; провода закрепляются на изоляторах этого типа с помощью проволочной вязки. На линиях напряжением 35 кВ применяются как штыревые, так и подвесные изоляторы; на линиях напряжением ПО кВ и выше — только подвесные изоляторы.
Подвесные изоляторы состоят из фарфоровой или Стеклянной изолирующей части и соединенных с ней металлических элементов, служащих для сцепления нескольких изоляторов друг с другом, а также для соединения изоляторов с линейной арматурой. Ряд последовательно соединенных изоляторов называется гирляндой; провода закрепляются на гирляндах посредством линейной арматуры — зажимов и специальных деталей. Закрепление гирлянд на опорах производится также с помощью сцепной арматуры.
Воздушные линии сооружаются в районах с различными климатическими условиями, влияющими на выбор элементов линий. В ПУЭ даются указания по выбору расчетных климатических условий, в соответствии с которыми определяются расчетные нагрузки.
Основными климатическими факторами, определяющими нагрузки, являются ветер и гололед. Долголетние наблюдения позволили установить для территории СССР границы ветровых и гололедных районов, различающихся скоростью ветра и интенсивностью гололедных образований. При проектировании линий электропередачи ветровые и гололедные районы определяются по карте или при необходимости по уточненным данным наблюдений.
На воздушных линиях переменного трехфазного тока подвешивается не менее трех проводов, составляющих одну цепь, на линиях электропередачи постоянного тока — не менее двух проводов. По числу цепей линии электропередачи делятся на одноцепные, двухцепные и многоцепные. Число цепей определяется схемой энергоснабжения в зависимости от передаваемой мощности, напряжения линии электропередачи и необходимости резервирования. Если по схеме энергоснабжения требуются две цепи, то эти цепи могут быть подвешены на двух отдельных одноцепных линиях с одноцепными опорами или на одной двухцепной линии с двухцепными опорами.
Как правило, одна двухцепная линия дешевле, чем две параллельные одноцепные линии, и может быть сооружена в более короткий срок.
В зависимости от способа подвески проводов опоры делятся на две основные группы:
а) опоры промежуточные, на которых провода закрепляются в поддерживающих зажимах;
б) опоры анкерного типа, служащие для натяжения проводов; на этих опорах провода закрепляются в натяжных зажимах.
Расстояние между опорами называется пролетом, а расстояние между опорами анкерного типа — анкерованным участком (рис. В-1). В соответствии с требованиями ПУЭ пересечения некоторых инженерных сооружений, например, железных дорог общего пользования, необходимо выполнять на опорах анкерного типа. На углах поворота линии устанавливаются угловые опоры, на которых провода могут быть подвешены в поддерживающих или натяжных зажимах. Таким образом, две основные группы опор — промежуточные и анкерные — разбиваются на типы, имеющие специальное назначение.
Промежуточные прямые опоры устанавливаются на прямых участках линии. На промежуточных опорах с подвесными изоляторами провода закрепляются в поддерживающих гирляндах, висящих вертикально; на опорах со штыревыми изоляторами закрепление проводов производится проволочной вязкой. В обоих случаях промежуточные опоры воспринимают горизонтальные нагрузки от давления ветра на провода и на опору и вертикальные — от веса проводов, изоляторов и собственного веса опоры.
При необорванных проводах и тросах промежуточные опоры, как правило, не воспринимают горизонтальной нагрузки от тяжения проводов и тросов в направлении линии и поэтому могут быть выполнены более легкой конструкции, чем опоры других типов, например концевые, воспринимающие тяжение проводов и тросов.
Однако для обеспечения надежной работы линии промежуточные опоры должны выдерживать некоторые нагрузки в направлении линии (см. гл. V). Промежуточные угловые опоры устанавливаются на углах поворота линии с подвеской проводов в поддерживающих гирляндах. Помимо нагрузок, действующих на промежуточные прямые опоры, промежуточные и анкерные угловые опоры воспринимают также нагрузки от поперечных составляющих тяжения проводов и тросов. При углах поворота линии электропередачи более 20й вес промежуточных угловых опор значительно возрастает. Поэтому в СССР промежуточные угловые опоры применяются для углов до 10—20°. При больших углах поворота устанавливаются анкерные угловые опоры.
Анкерные опоры. На линиях с подвесными изоляторами провода закрепляются в зажимах натяжных гирлянд; эти гирлянды являются как бы продолжением провода и передают его тяжение на опору. На линиях со штыревыми изоляторами провода закрепляются на анкерных опорах усиленной вязкой или специальными зажимами, обеспечивающими передачу полного тяжения провода на опору через штыревые изоляторы.
При установке анкерных опор на прямых участках трассы и подвеске проводов с обеих сторон от опоры с одинаковыми тяжениями горизонтальные продольные нагрузки от проводов уравновешиваются и анкерная опора работает так же, как и промежуточная, т. е. воспринимает только горизонтальные поперечные и вертикальные нагрузки. В случае необходимости провода с одной и с другой стороны от опоры можно натягивать с различным тяжением, тогда анкерная опора будет воспринимать разность тяжения проводов. В этом случае, кроме горизонтальных поперечных и вертикальных нагрузок, на опору будет также воздействовать горизонтальная продольная нагрузка.
При установке анкерных опор на углах (в точках поворота линии) анкерные угловые опоры воспринимают нагрузку также от поперечных составляющих тяжения проводов и тросов. Концевые опоры устанавливаются на концах линии. От этих опор отходят провода, подвешиваемые на порталах подстанций. При подвеске проводов на линии до окончания сооружения подстанции концевые опоры воспринимают полное одностороннее тяжение проводов и тросов. Помимо перечисленных типов опор, на линиях применяются также специальные опоры: транспозиционные, служащие для изменения порядка расположения проводов на опорах; ответвительные — для выполнения ответвлений от основной линии, опоры больших переходов через реки и водные пространства и др.
Основным типом опор на воздушных линиях являются промежуточные, число которых обычно составляет 85—90% общего числа опор. По конструктивному выполнению опоры можно разделить на свободностоящие и опоры на оттяжках. Оттяжки обычно выполняются из стальных тросов. На воздушных линиях применяются деревянные, стальные и железобетонные опоры. Разработаны также опытные конструкции опор из алюминиевых сплавов.
ГЛАВА I
ПРОВОДА И ГРОЗОЗАЩИТНЫЕ ТРОСЫ
1-1. Общие сведения
На воздушных линиях электропередачи подвешиваются голые (неизолированные) провода, состоящие из одной или нескольких проволок. Провода из одной проволоки, называемые однопроволочными, имеют меньшую прочность и применяются, как правило, на линиях напряжением до 1000 В. Многопроволочные провода, свитые из нескольких проволок, используются на линиях всех напряжений.
К материалу проводов воздушных линий предъявляются следующие основные требования.
1. Материал проводов должен иметь высокую электрическую проводимость. Из металлов, которые могут быть использованы для изготовления проводов, на первом месте по проводимости стоит медь, затем бронза и алюминий, сталь имеет значительно более низкую электрическую проводимость. Таким образом, для обеспечения одинаковой проводимости алюминиевые провода должны иметь сечения, в 1,6 раза большие, чем медные. Алюминиевые провода, имеющие такую же проводимость, как и медные меньшего сечения, называются эквивалентными по проводимости. При объемной массе меди 8,9 кг/дм3 и алюминия 2,7 кг/дм3 масса алюминиевых проводов составляет около 50% массы медных проводов такой же проводимости. Это соотношение является одной из причин экономичности применения алюминиевых проводов на линиях электропередачи.
2. Провода и тросы должны быть выполнены из металла, обладающего достаточной прочностью. По механической прочности на первом месте стоит сталь. Стальные проволоки, применяемые для изготовления проводов и тросов в СССР, имеют предел прочности (временное сопротивление) 65—70 даН/мм2 (кгс/мм2) или 120—134 даН/мм2; в зарубежной практике используются стальные проволоки еще большей прочности — до 150 даН/мм2. Бронзовые проволоки отечественного производства имеют прочность 54 даН/мм2, медные — 38—43 даН/мм2, алюминиевые — 16—19 даН/мм2.
3. Материал проводов и тросов должен выдерживать атмосферные воздействия, В этом отношении наибольшей стойкостью обладают медные и бронзовые провода; провода из алюминия коородируют на морских побережьях, где в воздухе содержатся соли морской воды, а также в районах около химических заводов с наличием в воздухе щелочей. Для защиты алюминиевых проводов от коррозии в этих условиях освоены специальные смазки, а также специальные конструкции проводов, описываемые ниже в § 1-2.
Стальные провода корродируют даже в нормальных атмосферных условиях, поэтому для придания стальным проволокам необходимой стойкости их покрывают слоем цинка. При своих высоких качествах — хорошей проводимости, большой механической прочности и коррозионной стойкости — медь как материал для проводов воздушных линий является дорогой и дефицитной. Поэтому в настоящее время медные провода, как правило, не применяются на воздушных линиях, сооружаемых в СССР и за рубежом.
Основными металлами, используемыми для изготовления проводов линий электропередачи, являются алюминий и сталь. При этом в ряде случаев целесообразно сочетать хорошую электрическую проводимость алюминия и высокую механическую прочность стали, изготовляя сталеалюминевые провода, свитые из стальных и алюминиевых проволок. Такие провода называются комбинированными.
Кроме однородных металлов, для изготовления проводов воздушных линий можно использовать сплавы, из которых в первую очередь следует назвать бронзу и алдрей.
Бронза, являющаяся сплавом меди с оловом, кадмием и магнием, применялась для изготовления проводов большой прочности, подвешиваемых на больших переходах. В настоящее время вместо бронзовых и сталебронзовых проводов на больших переходах, как правило, подвешиваются сталеалюминевые провода повышенной прочности.
Алдрей, являющийся сплавом алюминия с незначительными количествами (доли процента) железа и кремния, по электрической проводимости уступает алюминию примерно на 15%, а по механической прочности C0 даН/мм2) значительно превосходит алюминий. В СССР разработан сплав АВ-Е типа алдрей, из которого изготовляются термообработанные проволоки и провода марки АЖ, а также провода марки АН без термообработки с пределом прочности 22 даН/мм2.
В отдельных случаях для изготовления проводов применяются проволоки из слоев Двух металлов: стали и меди или стали и алюминия; такие проволоки и изготовленные из них одно- или многопроволочные провода называются биметаллическими. В отличие от комбинированных проводов, в которых часть проволок состоит из одного металла, например из стали, а часть — из другого металла, например из алюминия, в биметаллических проводах все проволоки одинаковы и состоят из двух металлов, прочно соединенных друг с другом в процессе производства проволок. В этих проволоках средняя часть обычно состоит из стали, а наружная — из меди или алюминия. Биметаллические провода имеют высокую стойкость против коррозии.
Отметим, что проволоки из одного металла, а также изготовленные из них провода называются монометаллическими.
1-2. Конструкции проводов и тросов
Однопроволочные провода. Согласно ПУЭ на линиях напряжением до 1000 В допускается применение однопроволочных стальных проводов диаметром не менее
Многопроволочные провода. Скрученные из нескольких проволок, эти провода обладают большой гибкостью; они могут быть выполнены любого необходимого сечения. Диаметры отдельных проволок и их число подбирают так, чтобы сумма поперечных сечений отдельных проволок дала требуемое общее сечение провода. Как правило, многопроволочные провода изготовляются из круглых проволок, причем в центре помещаются одна, две, три или четыре проволоки одинакового диаметра. Наиболее распространены конструкции с одной центральной проволокой (рис. 1-1, с); провода с тремя свитыми вместе центральными проволоками (рис. 1-1, б) применяются в случаях, когда желательно увеличить диаметр провода.
На центральную проволоку (или проволоки) навивается один или несколько концентрических повивов (слоев) проволок в зависимости от требуемого сечения провода. При одной проволоке в центре и равном диаметре всех проволок первый повив имеет шесть проволок, а каждый последующий — на шесть проволок больше, чем предыдущий. Таким образом, при одном повиве провод состоит из 7, при двух повивах из 19, при трех повивах из 37 проволок. Все проволоки одного повива должны иметь одинаковый диаметр, диаметры проволок отдельных повивов могут быть различными.
После скрутки каждая проволока, кроме одной — центральной, располагается по винтовой линии. Высота подъема винтовой линии при ее обороте вокруг оси провода называется шагом скрутки. Шаг скрутки можно выражать в миллиметрах, более удобно определять шаг скрутки отношением его длины к диаметру окружности, проведенной из центра провода по центрам проволок, составляющих соответствующий повив. Это отношение называется кратностью шага скрутки. В конструкциях отечественных проводов шаг скрутки внутренних повивов принимается не более 18, наружного повива — не более 15. В проводах, имеющих несколько повивов, кратность шага скрутки 'любого повива не должна быть более кратности шага скрутки предыдущего повива, считая от оси провода. Для придания проводу круглой формы и для предотвращения его раскручивания смежные повивы скручиваются в противоположных направлениях, причем наружному повиву дают правое направление. Скрученные проволоки, естественно, имеют несколько большую длину, чем длина провода, измеренная по его оси. Это обстоятельство вызывает увеличение физической массы провода по сравнению с теоретической, которая получается при умножении сечения провода на длину и объемную массу. Формула для расчета массы провода в зависимости от числа проволок дана в ГОСТ 839—74. Во всех расчетах принимаются фактические массы проводов (без смазки), указанные в соответствующих стандартах.
Скрутка влияет также на разрывную прочность провода: прочность многопроволочного провода всегда меньше суммы прочностей отдельных проволок, из которых свит данный провод.
...