Проектирование механической части ВЛ — Нагрузки на провода и тросы
Расчетные условия. Нагрузки на провода и тросы
Выбор расчетных климатических условий для воздушных линий, сооружаемых на территории России, производится с использованием карт районирования территории по гололеду и ветру [13].
Провода и тросы, подвешенные на опорах воздушных линий электропередачи, находятся под постоянным действием равномерно распределенной по длине статической нагрузки от собственного веса. Кроме того, на них могут действовать дополнительные нагрузки — вертикальная от гололеда и горизонтальная от ветра.
Вертикальная нагрузка от веса гололеда обычно вызывает наибольшие усилия в проводах, действует не постоянно, а при неблагоприятных атмосферных условиях. Она может существовать длительное время, поэтому ее считают основной при расчете проводов. Распределение гололеда по проводу не бывает строго равномерным. Учесть неравномерность не представляется возможным, поэтому такую нагрузку считают равномерно распределенной по длине провода.
Горизонтальная нагрузка от ветра, так же, как и нагрузка от гололеда, вызывает большие усилия в проводе, поэтому учитывается в расчетах. Неравномерность скоростного напора по длине пролёта учитывается коэффициентом неравномерности α.
Равномерно распределенная нагрузка в килограммах, отнесенная к 1 м длины провода, называется единичной нагрузкой и выражается в кг/м [3, 11, 13].
Единичная нагрузка от собственного веса провода р1.
Для вычисления нагрузки р1 пользуются данными о массе (весе) провода из действующих стандартов или технических условий, где обычно указывается вес провода в килограммах на один километр [6, стр. 53-57, табл. 1.47-1.52 и стр. 60-63, табл. 1.58-1.63]. Для получения единичной нагрузки от собственного веса провода в килограммах на один метр следует массу или вес, указанный в стандарте, умножить на 10 , тогда единичная нагрузка от собственного веса провода может быть вычислена по формуле:
Р1 = M п ·10-3, кг/м (даН/м), (21)
где M п — масса (вес) провода, кг.
Единичная нагрузка от гололеда р2
Рассмотрим рис. 2.9. 
Рис. 2.9. Поперечное сечение расчетного приведенного гололеда
В соответствии с фигурой и обозначениями на рисунке, площадь сечения слоя приведенного гололеда F гол определиться по формуле: 
(2.2)
а вес на всей длине провода L — по формуле:
(2.3)
где d п — диаметр провода, мм;
с — толщина стенки гололеда, мм;
L — длина провода, м;
g 0 — объемный вес, который при принятых выше единицах измерения dп, с, и L, равен g0 = 0,9 · 10 , кг/м мм (даН/м мм ).
С учетом формул 2.2 и 2.3 единичная нагрузка от гололеда может быть определена как: 
, кг/м (даН/м). (24)
Результирующая единичная весовая нагрузка при гололеде p3
Полная вертикальная нагрузка при гололеде определяется как арифметическая сумма единичных нагрузок от собственного веса провода и веса гололеда:
Р3 = P1 + Р 2, кг/м (даН/м). (2.5)
Единичные нагрузки от давления ветра p4 и p5
При принятых выше обозначениях и при условии, что определяется только нагрузка от горизонтальной слагающей давления ветра, единичные ветровые нагрузки могут быть определены по формулам: (2.6) — при отсутствии гололеда и (2.7) — при гололеде на проводах: 
, кг/м (даН/м), (26)
где α — коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного напора ветра по пролёту воздушной линии [13, стр. 315, 316, пункт 2.5.30]; Cx — аэродинамический коэффициент;
Qн — скоростной напор ветра, даН/м [13, стр. 312, табл. 2.5.1].
Согласно [13], аэродинамический коэффициент принимается для проводов, свободных от гололеда, при dп ^ 20 мм — Cx = 1,1, а при dп < 20 мм - Cx = 1,2 . Для проводов любого диаметра, но покрытых гололедом, - Cx = 1,2 .
Учитывая, что при определении ветровых нагрузок на провода с гололедом, следует принимать значение скоростного напора 0,25Qн [13], получим 
, кг/м (даН/м).
Результирующие единичные нагрузки на провод без гололеда и с гололедом p 6 и p7
Совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок на провода определяется как результирующие единичные нагрузки (примечание 2.1) по формулам: (2.8) — без гололеда и (2.9) — с гололедом (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок на провод
(2.8)
(2.9)
Пример 2.1
Трасса сооружаемой воздушной линии электропередачи 220 кВ проходит по местности, относящейся к особому гололедному и IV ветровому районам. На унифицированных свободностоящих стальных опорах будут смонтированы провода марки АС-240/32 нормальной конструкции. Рассчитать единичные и удельные механические нагрузки на провода от внешних воздействий.
Исходные данные и пояснения
В соответствии с [6, стр. 54, табл. 1.48] провод АС-240/32 нормальной конструкции состоит из стального сердечника, свитого из 7 стальных проволок диаметром 2,8 мм и проводниковой части в виде 28 алюминиевых проволок диаметром 3,29 мм. Технические данные провода АС-240/32 приведены в табл. 2.1.
Примечание 2.1: следует заметить, что при механическом расчете проводов удобнее пользоваться не единичными, а удельными (приведенными) нагрузками, которые равны единичным, отнесенным к 1 мм2 поперечного сечения провода. Удельные нагрузки обозначают буквой γ и измеряют в кг/м мм2.
Технические данные провода АС-240/32
Таблица 2.1
Согласно [13], интенсивность внешних воздействий на конструктивные элементы воздушных линий 220 кВ принимают, исходя из частоты повторяемости наибольших гололедной и ветровой нагрузок 1 раз в 10 лет. При этом максимальный нормативный скоростной напор ветра на высоте до 15 м над поверхностью земли принимают в IV ветровом районе 65 даН/м [13, стр. 312, табл. 2.5.1], а нормативная толщина стенки гололеда для высоты 10 м над поверхностью земли в особом гололедном районе может составлять более 22 мм (для решения примера примем 22 мм) [13, стр. 317, табл. 2.5.3].
Решение
- Постоянно действующая нагрузка от собственной массы провода
По формуле (2.1) с учетом табл. 2.1 и примечания 2.1:
- Временно действующая нагрузка от массы гололедных отложений
по формуле (2.4)
- Суммарная вертикальная нагрузка от собственной массы провода и массы гололеда
по формуле (2.5)
- Горизонтальная нагрузка от давления ветра на провод, свободный от гололеда по формуле (2.6)
5. Временно действующая горизонтальная нагрузка от давления ветра на провод, покрытый гололедом по формуле (2.7)
6. Результирующая нагрузка от собственной массы и давления ветра по формуле (2.8) 
7. Результирующая нагрузка от массы провода с гололедом и давления ветра
по формуле (2.9)
8. Вывод по примеру: сравнение нагрузок γ6 и γ7 показывает, что γ7> γ6, поэтому наибольшей нагрузкой является седьмая, то есть γ 7 = γ нб и в дальнейших расчетах следует ориентироваться на γ 7.
Примечание 2.2: примем направление ветра под углом 90°, тогда sin2ф 0,25
Общие данные: Ветровые нагрузки
Функция работает только в СТАРТ-ПРОФ , а в СТАРТ-ПРОФ Эконом и » СТАРТ-ПРОФ Студент » не работает.
Ветровые нагрузки прикладываются ко всем надземным трубам элементам в глобальной системе координат . Нагрузка зависит от угла между осью элемента и направлением ветра:
— ветровая распределенная нагрузка в глобальной системе координат на элемент
p — ветровая распределенная нагрузка, вычисленная согласно выбранному нормативному документу
ω — угол между осью элемента Xm и направлением ветра. Если ветер дует вдоль трубы, то ветровая нагрузка равна нулю. Если ветер дует поперек трубы, то ветровая нагрузка имеет наибольшее значение.
X,Y,Z — вектор направления ветра
Если нужно исключить снеговую нагрузку на определенных участках, следует задать нулевой коэффициент формы.
Если одновременно заданы ветровые и гололедные нагрузки, то при расчете ветровых нагрузок диаметр изоляции Dk увеличивается на толщину корки льда.
При расчете по нормам ГОСТ Р 55596-2013, ГОСТ 32388-2013, CJJ/T 81-2013 автоматически применяется коэффициент надежности к ветровой нагрузке 1.4 в соответствии с последней редакцией СП 20.13330.2016, а при расчете по СНиП 2.05.06-85, СП 36.13330.2012 применяется коэффициент надежности к ветровой нагрузке 1.2.
Доступны следующие нормативные документы для определения ветровой нагрузки:
- СП 20.13330.2016 (Россия)
Dк – Диаметр изоляции (задается в свойствах трубы)
c – коэффициент формы (задается в свойствах трубы)
- ТКП EN 1991-1-4 2009 (Беларусь)
D – Диаметр изоляции (задается в свойствах трубы)
Cp – коэффициент формы (задается в свойствах трубы)
- Давление ветра в зависимости от высоты
D – Диаметр изоляции (задается в свойствах трубы)
c — коэффициент формы (задается в свойствах трубы)
- Скорость ветра в зависимости от высоты
D – Диаметр изоляции (задается в свойствах трубы)
c — коэффициент формы (задается в свойствах трубы)
Диаметр кожуха изоляции
Наружный диаметр кожуха изоляции. Используется для вычисления наветренной площади. Если одновременно заданы ветровые и гололедные нагрузки, то при расчете ветровых нагрузок диаметр изоляции автоматически увеличивается на толщину корки льда
Высота начального/конечного узла от земли
Наибольшая из высот используется для расчета ветровой нагрузки. Для вычисления ветровых и гололедных нагрузок высоты автоматически пересчитываются в предположении, что плоскость поверхности грунта горизонтальная. Опцию «пересчет высот над поверхностью грунта» следует отключать для магистральных трубопроводов, прокладываемых на местности с переменными высотами грунта
Следует выбрать вдоль какой оси дует ветер. Если выбрать пункт «другое», то необходимо задать углы между вектором направления ветра и осями координат X, Y, Z
Может быть задано неограниченное количество направлений ветра.
Первая частота, f1
Первая частота собственных колебаний f1 используется для вычисления коэффициента динамичности и может быть получена из расчета частот и форм собственных колебаний. Коэффициент динамичности автоматически берется с графика 11.1 в зависимости от параметра e l:
Если задано f1=0, то коэффициент динамичности принимается равным максимальному значению 2.84
Необходимо задать ветровой район по картам
Ветроустойчивость
Ветроустойчивость — способность контактной сети обеспечить токосъём при ветре расчётной скорости. Ветровые нагрузки вызывают перемещения проводов контактной подвески в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Вертикальные перемещения проводов и нажатие на них токоприёмников ЭПС могут вызвать удары полозов токоприёмников по фиксаторам контактного провода. Чрезмерные горизонтальные отклонения опасны из-за возможности схода контактного провода с полоза, что сопровождается повреждением контактной подвески и токоприёмника. Горизонтальные ветровые нагрузки могут гак изменить положение дополнит, стержней фиксаторов, что контактный провод не возвратится в рабочее положение. Такое явление наз. опрокидыванием, сопровождается изломом стержней фиксаторов и изоляторов.
На открытых местах при устойчивом ветре, направленном поперёк пути, как правило, при гололёде, изменяющем аэродинамического характеристики проводов, возникают автоколебания контактной подвески проводов с частотой ок. 1 Гц. Размах колебаний контактного провода может оказаться таким (до 1,5 м), что удовлетворит, токосъём станет невозможным. В. рассчитывается на стадии проектирования контактной сети и обеспечивается при её монтаже и эксплуатации. Ветровые нагрузки определяют для различных климатических районов с учётом влияния микрорельефа местности на усиление ветрового воздействия. Ветровая нагрузка на провод зависит от высоты его сечения, расчётной скорости ветра и аэродинамического коэф. лобового сопротивления. Горизонтальное отклонение контактных проводов с увеличением длины пролёта I контактной сети возрастает пропорционально Р, в то же время это отклонение обратно пропорционально натяжению проводов. Наличие зигзагов несколько увеличивает ветровое отклонение контактного провода от оси токоприёмника. На отечеств, ж. д. ветровое отклонение не должно превышать 0,5 м на прямых и 0,45 м на криволинейных участках пути.
Для предупреждения ветровых повреждений применяют повышенное натяжение проводов на открытых местах, усиливают фиксирующие устройства (устанавливают жёсткие распорки, ограничители перемещения дополнит, стержня фиксаторов, удерживающие гибкие струны и др.). Автоколебания проводов предотвращают своевременным удалением гололёда и использованием аэродинамического гасителей колебаний и др. В случае необходимости существенно уменьшить ветровое отклонение проводов монтируют спец. ветроустойчивые подвески (например, ромбовидные) или устанавливают промежуточные опоры (сокращают длину пролёта контактной сети в 2 раза).
Климатические условия и нагрузки
2.5.38 . При расчете ВЛ и их элементов должны учитываться климатические условия — ветровое давление, толщина стенки гололеда, температура воздуха, степень агрессивного воздействия окружающей среды, интенсивность грозовой деятельности, пляска проводов и тросов, вибрация.
Определение расчетных условий по ветру и гололеду должно производиться на основании соответствующих карт климатического районирования территории РФ (рис. 2.5.1, 2.5.2) с уточнением при необходимости их параметров в сторону увеличения или уменьшения по региональным картам и материалам многолетних наблюдений гидрометеорологических станций и метеопостов за скоростью ветра, массой, размерами и видом гололедно-изморозевых отложений. В малоизученных районах * для этой цели могут организовываться специальные обследования и наблюдения.
При отсутствии региональных карт значения климатических параметров уточняются путем обработки соответствующих данных многолетних наблюдений согласно методическим указаниям (МУ) по расчету климатических нагрузок на ВЛ и построению региональных карт с повторяемостью 1 раз в 25 лет.
Основой для районирования по ветровому давлению служат значения максимальных скоростей ветра с 10-минутным интервалом осреднения скоростей на высоте 10 м с повторяемостью 1 раз в 25 лет. Районирование по гололеду производится по максимальной толщине стенки отложения гололеда цилиндрической формы при плотности 0,9 г/см 3 на проводе диаметром 10 мм, расположенном на высоте 10 м над поверхностью земли, повторяемостью 1 раз в 25 лет.
Температура воздуха определяется на основании данных метеорологических станций с учетом положений строительных норм и правил и указаний настоящих Правил.
Интенсивность грозовой деятельности должна определяться по картам районирования территории РФ по числу грозовых часов в году (рис. 2.5.3), региональным картам с уточнением при необходимости по данным метеостанций о среднегодовой продолжительности гроз.
Степень агрессивного воздействия окружающей среды определяется с учетом положений СНиПов и государственных стандартов, содержащих требования к применению элементов ВЛ, гл. 1.9 и указаний настоящей главы.
Определение районов по частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов и тросов должно производиться по карте районирования территории РФ (рис. 2.5.4) с уточнением по данным эксплуатации.
По частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов и тросов территория РФ делится на районы с умеренной пляской проводов (частота повторяемости пляски 1 раз в 5 лет и менее) и с частой и интенсивной пляской проводов (частота повторяемости более 1 раза в 5 лет).
* К малоизученным районам относятся горная местность и районы, где на 100 км трассы ВЛ для характеристики климатических условий имеется только одна репрезентативная метеорологическая станция.
2.5.39 . При определении климатических условий должно быть учтено влияние на интенсивность гололедообразования и на скорость ветра особенностей микрорельефа местности (небольшие холмы и котловины, высокие насыпи, овраги, балки и т. п.), а в горных районах — особенностей микро- и мезорельефа местности (гребни, склоны, платообразные участки, днища долин, межгорные долины и т. п.).
2.5.40 . Значения максимальных ветровых давлений и толщин стенок гололеда для ВЛ определяются на высоте 10 м над поверхностью земли с повторяемостью 1 раз в 25 лет (нормативные значения).