Лабораторная работа по курсу "Проектирование воздушных линий электропередач"

Лабораторная работа: Механический расчет воздушных линий электропередач №1

Лабораторная работа: Механический расчет воздушных линий электропередач

Введение

Механический расчет воздушных линий электропередачи (ВЛ) представляет собой комплексную инженерную задачу, требующую глубокого понимания как электрических, так и механических аспектов работы линии. Механическая прочность и надежность воздушной линии имеют критическое значение для её безопасной эксплуатации в различных атмосферных условиях.

Цель работы: Изучить принципы механического расчета воздушных линий электропередачи, включая анализ напряжений в проводах, деформаций и влияние различных нагрузок.

Теоретические основы

Механические свойства
Напряжения и деформации
Характеристики проводов
Методы расчета

Механические свойства материалов

Механические свойства материалов, используемых при проектировании воздушных линий электропередачи, выражаются через напряжения. В механике напряжения представляют собой удельные характеристики сил, которые возникают внутри материалов под воздействием внешних нагрузок.

σ = P/A

где:

σ - напряжение в материале, МПа

P - сила, Н

A - площадь сечения, мм²

Модули упругости различных материалов

Металл Модуль упругости E, МПа
Железо 21,7×10⁴
Медь 12,5×10⁴
Алюминий 7,2×10⁴

Напряжения и деформации

Поведение металлов при растяжении описывается законом Гука, который устанавливает прямую пропорциональность между напряжением и упругой деформацией на начальном участке диаграммы "напряжение-деформация".

σ = E × ε

где:

σ - напряжение, МПа

E - модуль Юнга (модуль упругости), МПа

ε - относительная деформация

Виды деформаций

  • Упругая деформация - исчезает после снятия нагрузки
  • Пластическая деформация - остается после снятия нагрузки
  • Ползучесть - постепенное накопление деформаций при длительной неизменной нагрузке

Температурные деформации

εₜ = α × (t - t₀)

где:

εₜ - относительная температурная деформация

α - температурный коэффициент линейного расширения, 1/°C

t - текущая температура, °C

t₀ - начальная температура, °C

Характеристики проводов

Многопроволочные провода имеют механические характеристики, которые существенно отличаются от характеристик составляющих их отдельных проволок из-за влияния скрутки, процесса деформации при растяжении, и потерь разрывного усилия.

Сталеалюминиевые провода

В сталеалюминиевых проводах напряжения распределяются между алюминиевой и стальной частями в соответствии с их жесткостями:

EA = EaAa + EcAc

где:

E - эффективный модуль упругости провода

A - общая площадь сечения провода

Ea - модуль упругости алюминия

Aa - площадь сечения алюминиевой части

Ec - модуль упругости стали

Ac - площадь сечения стальной части

Эффективный модуль упругости

E = Eaha + Echc

где:

ha = Aa/A - доля алюминиевой части

hc = Ac/A - доля стальной части

Методы расчета элементов ВЛ

Метод допускаемых напряжений

Применяется для механического расчета проводов и тросов. Суть метода заключается в установлении предельного значения механического напряжения, которое не должно превышаться при любых расчетных условиях эксплуатации.

σ ≤ σд

где:

σ - действительное напряжение в проводе

σд - допустимое напряжение

Метод разрушающих нагрузок

Используется для расчета изоляторов и линейной арматуры.

N ≤ R/k

где:

N - нагрузка на элемент

R - гарантированная разрушающая нагрузка

k - коэффициент запаса прочности

Метод предельных состояний

Применяется для расчета опор, фундаментов и оснований. Рассматривает два типа предельных состояний:

  • Первая группа: потеря несущей способности (разрушение)
  • Вторая группа: недопустимые деформации

N ≤ Ф

где:

N - усилие в конструкции от расчетных нагрузок

Ф - несущая способность конструкции

Практическая часть

Расчет напряжений в проводе
Расчет стрелы провеса
Температурные эффекты

Расчет напряжений в сталеалюминиевом проводе

Введите параметры и нажмите "Рассчитать напряжения"

Расчет стрелы провеса провода

Введите параметры и нажмите "Рассчитать стрелу провеса"

Влияние температуры на напряжения в проводе

Введите параметры и нажмите "Рассчитать влияние температуры"

Справочные данные

Допустимые напряжения для проводов

Тип провода Допустимое напряжение при наибольшей нагрузке (МПа) Допустимое напряжение при среднегодовой температуре (МПа)
Алюминиевые сечением 70-95 мм² 56 48
Алюминиевые сечением 120-240 мм² 64 51
Алюминиевые сечением 300-750 мм² 72 51
АС при отношении A/C = 6-8 120 90
АС при отношении A/C = 4,0-4,5 140 95
АС при отношении A/C = 0,65-0,95 270 170

Характеристики сталеалюминиевых проводов

Марка провода Сечение Al/Fe (мм²) Отношение Al/Fe Диаметр (мм) Масса (кг/км) Разрывное усилие (кН)
АС-70/11 68/11.3 6.0 11.4 276 26.0
АС-95/16 95.4/15.9 6.0 13.5 385 36.9
АС-120/19 118/18.8 6.3 15.2 471 43.1
АС-150/24 148/24.2 6.1 17.1 599 54.0
АС-185/29 181/29.0 6.2 18.9 728 66.1
АС-240/32 236/31.7 7.4 21.6 921 82.5

Задания для самостоятельной работы

  1. Определите механические напряжения в стальной и алюминиевой частях сталеалюминиевого провода АС-120/19 при температуре -30°C, +15°C и +40°C при тяжении 25 кН.
  2. Рассчитайте стрелу провеса для провода АС-150/24 при пролете 250 м для температур -40°C, 0°C, +15°C и +40°C.
  3. Проанализируйте влияние соотношения площадей алюминиевой и стальной частей провода на распределение напряжений при изменении температуры.
  4. Выполните сравнительный анализ допустимых нагрузок для различных типов проводов и определите наиболее подходящий провод для линии электропередачи длиной 10 км с напряжением 110 кВ в вашем регионе.

Контрольные вопросы

  1. Какие основные механические характеристики проводов используются при проектировании воздушных линий электропередачи?
  2. Опишите различия между упругой деформацией, пластической деформацией и явлением ползучести. Как они влияют на механические расчеты ВЛ?
  3. Как распределяются напряжения между алюминиевой и стальной частями сталеалюминиевого провода при изменении температуры?
  4. Сравните методы расчета элементов ВЛ: метод допускаемых напряжений, метод разрушающих нагрузок и метод предельных состояний. В каких случаях применяется каждый из них?
  5. Какие факторы влияют на величину стрелы провеса провода? Как изменяется стрела провеса при изменении температуры окружающей среды?
  6. Объясните физический смысл модуля упругости материала. Почему модуль упругости стали выше, чем у алюминия, и как это влияет на поведение сталеалюминиевого провода?
  7. Какие механические нагрузки испытывают провода ВЛ в процессе эксплуатации? Какие из них являются наиболее опасными?
  8. Почему при проектировании воздушных линий электропередач важно учитывать температурные деформации проводов? Как изменяются напряжения в проводах при изменении температуры?
  9. Объясните явление ползучести алюминиевых проводов. Почему оно важно при долговременной эксплуатации ВЛ?
  10. Как влияет соотношение сечений алюминиевой и стальной частей сталеалюминиевого провода на его механические характеристики?

Заключение

В данной лабораторной работе были рассмотрены основные принципы механического расчета воздушных линий электропередачи. Изучены механические свойства материалов проводов, проанализированы особенности упругих и пластических деформаций, а также явление ползучести. Выполнены расчеты напряжений в сталеалюминиевых проводах и определены стрелы провеса для различных условий.

Понимание механических аспектов проектирования воздушных линий электропередачи является необходимым условием для создания надежных и долговечных энергетических систем, способных эффективно функционировать в различных климатических и географических условиях.

Made on
Tilda