Projekt przęsła linii elektroenergetycznej 400kV

Spis treści

1. Wstęp

Przedmiotem projektu jest przęsło elektroenergetycznej linii napowietrznej o napięciu znamionowym 400 kV przebiegające w I strefie klimatycznej, krzyżującą się z linią kolejową pierwszorzędną zelektryfikowaną. W związku z skrzyżowaniem z linią kolejową pierwszorzędną zelektryfikowaną w linii 400kV należy zastosować obostrzenie trzeciego stopnia. Ze wstępnej analizy zadania wynikło, że największe naprężenia występują w stanie występowania sadzi. Za naprężenie obliczeniowe dla tego przęsła przyjąłem wartość 80,44
.

1. Treść zadania

Należy zaprojektować przęsło napowietrznej linii elektroenergetycznej o napięciu U_n= 400 kV, rozpiętości przęsła a = 410 m i spadzie b = 3%. Linia krzyżuje się z linią kolejową pierwszorzędną zelektryfikowaną. W linii przewiduje się zastosowanie przewodów typu AFL 8 o przekroju znamionowym 675mm². Linia będzie budowana w I strefie klimatycznej. Temperatura montażu wynosi t = 19°C.

Zakres zadania powinien obejmować następujące obliczenia i rysunki:

• Dane wyjściowe ze szkicem topograficznym

• Dane uzupełniające

• Obliczenia techniczne przęsła

• Naciąg, z jakim należy zawiesić przewody w temperaturze montażu tak, aby maksymalne naprężenie nie przekroczyło naprężeń dopuszczalnych,

• Zwis przewodu w warunkach montażu,

• Maksymalny zwis przewodu i stan, w jakim wystąpi,

• Długość przewodu w przęśle w warunkach montażu,

• Minimalną wysokość zawieszenia przewodu (dopuszczalną wg normy),

• Dobór izolatorów

• Dobór sylwetki słupa

• Tablice i wykresy montażowe,

• Zwymiarowany schemat przęsła.

1. Dane wyjściowe i uzupełniające

Dane do projektu:

• napięcie znamionowe linii U_n = 400 kV,

• rozpiętość przęsła a = 410m,

• typ przewodów w linii : AFL 8-675mm²,

• spad przęsła : 3%,

• obostrzenie: trzeciego stopnia

• temperatura montażu : 19^oC.

Dane znamionowe linki AFL 8 - 675mm²:

• ciężar przewodu G_p = 25094N/km,

• przekrój obliczeniowy przewodu: s_obl = 764,5mm²_,

• średnica obliczeniowa przewodu: d_obl = 36mm,

• współczynnik wydłużenia cieplnego przewodu : α = 19,4×10^-6 1/^oC,

• współczynnik wydłużenia sprężystego przewodu : β = 14,03×10^-6 mm²/N,

• naprężenie dopuszczalne normalne: σ_dz = 80,44N/mm²,

1. Szkic przęsła

Dane przęsła:

• odległość pozioma słupa trakcji elektrycznej od niżej położonego słupa linii 400kV: L_AT = 313m,

• odległość pozioma linii kolejowej od niżej położonego słupa linii 400kV: L_AF = 310m,

• wysokość słupa trakcji elektrycznej H_n=6m,

• różnica poziomu między słupami linii 400 kV: H_S = 12,3m,

• różnica pionowa terenu między powierzchnią ziemi, a niżej położonym słupem linii 400kV: H_z=12,5m

• różnica pionowa terenu między usytuowaniem słupa trakcji elektrycznej, a niżej położonym słupem linii 400kV:  H_k=16m

• różnica pionowa terenu między linią kolejową, a niżej położonym słupem: H_d=16,5m,

• wymagana minimalna odległość przewodu od trakcji elektrycznej: H_minT=
  

• wymagana minimalna odległość przewodu od linii kolejowej: H_minF=
  

• wymagana minimalna odległość przewodu od powierzchni ziemi dla zwisu w warunkach normalnych: H_minE=
  

2. Opis techniczny

Przęsło elektroenergetycznej linii napowietrznej 400kV należy wykonać przewodami 3xAFL 8-675mm² o długości każdego przewodu L=411,442m. Największe naprężenia w projektowanym przęśle wystąpią podczas stanu sadzi normalnej. Maksymalny zwis wystąpi podczas upału w temperaturze +40 ^oC o wartości f=13,93m przy naprężeniu σ=37,858kN/mm².

W projektowanym przęśle zgodnie z wymaganiami normy PN - 75/E - 05100 należy zachować minimalną odległość przewodów linii napowietrznej 400kV od krzyżowanego obiektu:

- trakcja elektryczna H_minT>6,67m

- linia kolejowa H_minF >11,17m.

W celu spełnienia tego warunku należy zastosować słupy typu Y 25 o wysokości zamocowania przewodów na słupie H_A=H_B=39m.

3. Obliczenia mechaniczne przęsła

1. Obliczenie współczynników obciążenia mechanicznego g

Współczynnik obciążenia mechanicznego gołego przewodu

g =
=
= 32,82 × 10^-3 N/(m×mm²)

Współczynnik obciążenia mechanicznego przewodu z sadzią normalną g_sn

W pierwszej kolejności należy obliczyć ciężar przewodu z sadzią normalną G_sn:

G_sn = 2,75 + 0,275⋅ d_obl = 2,75 + 0,275 ⋅ 36 = 12,65N/m

Można już obliczyć g_sn:

g_sn = g +
= 32,82×10^-3 +
=49,37×10^-3 N/(m×mm²)

2. Obliczenie rozpiętości przełomowej ap

Wartość rozpiętości przełomowej a_p oblicza się z wzoru :

a_p = 21,9 ⋅ σ_dz ⋅ = 21,9⋅ 80,44⋅
= 210,4m

Ponieważ rozpiętość przełomowa a_p = 210,4m < 410m = a (rozpiętość przęsła), więc maksymalne naprężenie przewodów wystąpi w warunkach występowania sadzi normalnej.

4. Obliczenie naprężenia σ₊₁₉ w temperaturze montażu

Za naprężenie obliczeniowe w projektowanym przęśle przyjmuję wartość

σ_obl =80,44N/mm² równą wartości dopuszczalnej zmniejszonej.

Znajomość naprężenia w temperaturze montażu σ_{{temp. montażu}} pozwala obliczyć siłę naciągu, jaką należy zastosować podczas zawieszenia przewodów, aby naprężenie w innych stanach ( temperaturach) nie przekroczyło wartości granicznych. Naprężenie σ₊₁₉ wyznaczam rozwiązując równanie stanów:

Stan znany ( z indeksem _o) determinuje stan sadzi normalnej:

• g_o = g_sn = 49,37×10^-3 N/(m×mm²)

• σ_o = σ_sn = σ_dz = 80,44N/mm²

• t_o = - 5 ^oC

Stan nieznany określa stan, w którym temperatura otoczenia wynosi +19 ^oC:

• g = 32,82×10^-3 N/(m×mm²)

• σ = σ₊₁₉ = ?

• t = +19 ^oC

Podstawiając wielkości do równania stanów otrzymamy:

-

= 52,72N/mm²

Następnie wyznaczam naciąg montażowy N:

N =
⋅ s_obl

N = 52,72N/mm² ⋅ 764,5mm² = 40304,44

5. Obliczenie zwisu f przewodów w temperaturze montażu

Zwis przewodów f w temperaturze +19 ^oC wyniesie:

f₊₁₉ =
= 13,08m

6. Obliczenie długości przewodów w prześle w warunkach montażowych

Wartość długości przewodu w prześle płaskim L oblicza się wg. wzoru:

L = c

gdzie: c jest długością cięciwy łączącej punkty zamocowania przewodu w przęśle.

Wartość c można obliczyć z wzoru:

c = =
= 410,18m

L = 410,18⋅
= 411,293m

7. Obliczenie maksymalnego zwisu przewodów

Przed obliczeniem maksymalnego zwisu trzeba wyznaczyć najpierw stan, w jakim on wystąpi oraz naprężenie przewodów w tym stanie.

1. Wyznaczenie stanu występowania maksymalnego zwisu

Stan występowania maksymalnego zwisu można wyznaczyć na podstawie znajomości wartości naprężenia granicznego σ_f :

σ_f =
=185,62N/mm²

σ_f = 185,62N/mm²

Ponieważ σ_f =185,62 > 80,44N/mm² = σ_obl to maksymalny zwis wystąpi w warunkach upału przy temperaturze powietrza równym +40^oC.

2. Obliczenie naprężenia σ₊₄₀ dla stanu max. zwisu

W celu obliczenia zwisu przewodów w temperaturze +40^oC należy posłużyć się równaniem stanów:

W stanie wyjściowym należy przyjąć wielkości występujące podczas sadzi:

• g_o = g_sn = 49,37×10^-3 N/(m×mm²)

• σ_o = σ_obl. = 80,44N/mm²

• t_o = - 5^oC

Stan obliczany jest opisywany wartościam:

• g = 32,82×10^-3 N/ (m×mm² )

• σ = σ₊₄₀ = ?

• t = +40^oC

Podstawiając dane do równania stanów otrzymujemy:

-

σ₊₄₀ = 49,52N/mm²

1. Obliczenie maksymalnego zwisu przewodów f_max

Wartość zwisu f_max przewodów w temperaturze +40^oC jest równa:

f₊₄₀ =
= 13,93m

2. Obliczenie zwisu przewodów w temperaturze 60^oC

Wartość zwisu f₊₆₀ przewodów w temperaturze +60^oC jest równa:

f₊₆₀ =

8. Obliczenie minimalnej wysokości zawieszenia przewodów w przęśle w warunkach max. zwisu

Zgodnie z wymaganiami normy PN - 75/E - 05100 należy sprawdzić odległości pionowe od obiektów krzyżowanych z obostrzeniem III stopnia dla zwisów występujących w warunkach max. zwisu.

L_AT = 313m - odległość pozioma słupa trakcji elektrycznej od niżej położonego słupa linii 400kV

L_AF = 310m - odległość pozioma linii kolejowej od niżej położonego słupa linii 400kV

H_s­ =12,3m - różnica terenu między słupami linii 400kV

H_k =16m - różnica pionowa terenu między usytuowaniem słupa trakcji elektrycznej, a niżej położonym słupem 400kV

H_d =16,5m - różnica pionowa terenu między linią kolejową, a niżej położonym słupem 400kV

H_z =12,5m - różnica pionowa terenu między powierzchnią ziemi, a niżej położonym słupem 400kV

H_n =6m - wysokość słupa trakcji elektrycznej

a = 410m - rozpiętość przęsła

H_min.- minimalna odległość przewodów od obiektu krzyżowanego

H_T - odległość przewodów linii 400 kV od trakcji elektrycznej

H_T - odległość przewodów linii 400 kV od trakcji elektrycznej

H_E - odległość przewodów linii 400 kV od linii kolejowej

H_A=H_B=H - wysokość słupów linii 400 kV

Wyznaczenie minimalnej wysokości zawieszenia przewodów ze względu na dopuszczalną odległość od trakcji elektrycznej (H_minT)

H_BT = ( y_B - y_T) + H_minT + H_k + H_n - H_S

gdzie:

H_minT - minimalna odległość przewodów linii napowietrznej o napięciu znamionowym

U_n = 400 kV od trakcji elektrycznej w warunkach maksymalnego zwisu

W wyniku zjawiska pełzania przewodów, powodującego w kolejnych latach eksploatacji powiększanie się zwisów przewodów w liniach powyżej 110kV minimalną odległość od krzyżowanych obiektów zwiększamy o 1,5 m. w stosunku do odległości określonych normą PN-75/E/05100.

H_minT=
+1,5 [m]

H_minT=
[m ]

Pozostałe oznaczenia jak na rysunku i oblicza się je wg wzorów:

gdzie:

m - mimośród przęsła występujący przy największym zwisie; w rozpatrywanym przęśle maksymalny zwis wystąpi w warunkach upału.

m =
= 45,27[m]

Wartości pozostałych wielkości są równe:

X_B =
+ 45,27 = 250,27[m]

X_T = 313 - (
- 45,27) = 153,27[m]

y_B - y_T =
= 12,97[m]

Minimalna wysokość zawieszenia przewodów w warunkach występowania maksymalnego zwisu przewodów jest równa:

H_BT = 12,97 + 6,67 + 16 + 6 - 12,3 = 29,34[m]

Wyznaczenie minimalnej wysokości zawieszenia przewodów ze względu na dopuszczalną odległość od linii kolejowej (H_minF)

H_BF = (y_B - y_F) + H_minF + H_d - H_S

gdzie:

H_minF - minimalna odległość przewodów linii napowietrznej o napięciu znamionowym

U_n = 400 kV od linii kolejowej w warunkach maksymalnego zwisu

W wyniku zjawiska pełzania przewodów, powodującego w kolejnych latach eksploatacji powiększanie się zwisów przewodów w liniach powyżej 110kV minimalną odległość od krzyżowanych obiektów zwiększamy o 1,5 m. w stosunku do odległości określonych normą PN-75/E/05100.

H_minF=
+1,5 [m]

H_minF=
[m ]

Pozostałe oznaczenia jak na rysunku i oblicza się je wg wzorów:

gdzie:

m - mimośród przęsła występujący przy największym zwisie; w rozpatrywanym przęśle maksymalny zwis wystąpi w warunkach upału.

m =
= 45,27[m]

Wartości pozostałych wielkości są równe:

X_B =
+ 45,27 = 250,27[m]

X_F = 310 - (
- 45,27) = 150,27[m]

y_B - y_T =
= 13,27[m]

Minimalna wysokość zawieszenia przewodów w warunkach występowania maksymalnego zwisu przewodów jest równa:

H_BF = 13,27 + 11,17 + 16,5 - 12,3 = 28,14[m]

Minimalną wysokość zawieszenia przewodów ze względu na dopuszczalną odległość od powierzchni ziemi (H_minE)wyznacza się zrównania:

H_BE = ( y_B - y_E) + H_minE + H_z - H_S

gdzie:

H_minE - minimalna odległość przewodów linii napowietrznej o napięciu U_n = 400kV od powierzchni ziemi w warunkach maksymalnego zwisu

H_z=12,5m - różnica pionowa terenu między powierzchnią ziemi, a niżej położonym słupem linii 400kV

H_minE =

H_minE =
[m ]

Pozostałe oznaczenia jak na rysunku i oblicza się je wg wzorów:

gdzie:

m - mimośród przęsła występujący przy największym zwisie; w rozpatrywanym przęśle maksymalny zwis wystąpi w warunkach upału.

m =
= 45,27[m]

Wartości pozostałych wielkości są równe:

X_B =
+ 45,27 = 250,27[m]

X_T = 0 [m]

y_B - y_E =
= 20,76[m]

Minimalna wysokość zawieszenia przewodów w warunkach występowania maksymalnego zwisu przewodów jest równa:

H_BE = 20,76 + 9,17 + 12,5 - 12,3 = 30,13[m]

Porównując wartości dla skrzyżowania z trakcją elektryczną i linią kolejową oraz minimalną odległość od powierzchni ziemi stwierdzam, że o minimalnej wysokości zawieszenia przewodów decyduje wartość większa, otrzymana dla minimalnej odległości od powierzchni ziemi: H_B = 30,13m

9. Dobór izolatorów

1. Dobór izolatorów ze względu na wymagania elektryczne

• Napięcie probiercze U_pr

Izolatory powinny wytrzymywać próbę napięciową przy wartości napięcia probierczego U_pr. równej dla linii pracującej z skutecznie uziemionym punktem zerowym :

U_pr. = 0,8 × (2,2 × U_n + 20) = 0,8 × (2,2 × 400 + 20) = 720kV

• Wytrzymałość udarowa U_ud

Izolatory powinny wytrzymać próbę przepięciową o wartości napięcia udarowego równej U_ud = (2,5÷3,5)U_n, Ponieważ projektowane przęsło dotyczy linii 400kV, więc przyjmuję wartość współczynnika równą 3,5

U_d = 3,5 · 400 = 1400[kV]

• Minimalna droga upływu l_upł

Izolatory powinny zachować jednostkową drogę upływu w zależności od strefy zabrudzeniowej zawierającą się w zakresie: 1,3 - 2 cm/kV. Ponieważ projektowane przęsło dotyczy linii 400kV to przyjmuję wartość współczynnika równą 2cm/kV. Stąd wartość minimalnej drogi upływu wynosi :

l_upł. = 2cm/kV × 400kV = 800cm.

W linii o napięciu 400 kV należy przyjąć minimum trzy izolatory pełnopniowe.

Do dalszego doboru przyjmuję izolatory 3xLPZ 60/27 o znamionowej drodze upływu l_upł=905,1cm. spełniających warunek minimalnej drogi upływu.

1. Dobór izolatorów ze względu na wymagania mechaniczne

• Dobór izolatorów wiszących pracujących przelotowo

W prześle z obostrzeniem III stopnia w celu zapewnienia większej pewności mechanicznej stosuje się podwójne łańcuchy izolatorów.

Izolatory wiszące pracujące przelotowo muszą wytrzymać obciążenie :

W ≥ 2,5 ⋅ (a⋅(G_p + G_sn ) + G_iz +G_osp. )

G_iz. - ciężar izolatora

G_osp. - ciężar osprzętu

W_n ≥ 2,5 ⋅ ( 410 ⋅ (25,1 +12,65) + 1590 + 1212) = 45,7kN

Wytrzymałość mechaniczna izolatora 2xLPZ 60/27 wynosząca 200kN jest większa od wymaganej, która wynosi 45,7kN. Izolator ten spełnia, więc warunki elektryczne oraz mechaniczne i może pracować jako izolator przelotowy w rozpatrywanej linii.

• Dobór izolatorów wiszących pracujących odciągowo

W_n ≥ 2,5 ⋅ σ_max ⋅ s

σ_max - największa wartosć naprężenia jaka może wystąpić w warunkach eksploatacji; w tym przypadku jest to naprężenia w stanie występowania sadzi normalnej σ_max = σ_sn =80,44N/mm²

W_n ≥2,5 ⋅ 80,44 ⋅ 764,5 =153,74kN

Podwójny łańcuch izolatorów 3xLPZ 60/27 o W_n = 200kN < W_obl = 153,74kN, czyli spełnia warunek pracy odciągowej izolatorów.

Ostatecznie dobieram podwójny łańcuch trzech izolatorów: 2x3xLPZ 60/27.

Na poniższym rysunkach przedstawiono widok izolatora LPZ 60/27.

Dobór osprzętu do potrójnego łańcucha dwurzędowego dla zamocowania jednego przewodu:

Rodzaj osprzętu	Ilość [szt.]
Izolator LPZ 60/27	9
Rożek jednostronny - górny	6
Rożek jednostronny - dolny	6
Wieszak śrubowo-kabłąkowy	1
Łącznik przedłużający jednowidlasty	1
Łącznik dwuuchowy skręcony	2
Łącznik główkowy płaski	2
Łącznik gniazdowy skręcony	6
Łącznik dwugłówkowy	2
Łącznik orczykowy dwurzędowy	2
Uchwyt odciągowy zaprasowywany	1

10. Dobór sylwetki słupa

1. Dobór typu słupa

Ponieważ przewody linii energetycznej zawieszone są na izolatorach, dla prawidłowego doboru słupów minimalną wysokość zawieszenia przewodów należy powiększyć o długość izolatora i osprzętu. Ze względu na zastosowany łańcuch izolatorów należy uwzględnić jego długość.

h_min =H_B + L_iz + L_osp

h_min =30,13 + 3,3 + 2,07 = 35,5[m]

Minimalna wysokość zawieszenia izolatora z przewodem i osprzętem wynosi: h_min=35,5m

Do projektowanego przęsła dobieram słupy stalowe typu Y25 o wysokości zawieszenia izolatorów h= 39[m]

2. Minimalna odległość między przewodami w środku rozpiętości przęsła

m

3. Minimalna odległość między przewodami, a konstrukcją

m

Spełniony jest również warunek:

b ≥ 2e + d

Rozpatruje jedynie optymalny przypadek, w którym: b_min = 5,36m

2e + d =5,94m

b_min = 5,36 m < 2e + d = 5,94 m

Ponieważ nie został spełniony warunek na minimalną odległość między przewodami a konstrukcją, zwiększam wartość b. Przyjmuję b = 6m.

b_min = 6 m >2e + d = 5,94 m

Dobrany typ słupa Y25 spełnia narzucone kryteria.

Na poniższym rysunku przedstawiono sylwetkę słupa i jego parametry.

11. Tablice i wykresy montażowe

1. Tablica montażowa

W tabeli 11.1 zestawiono wartości naprężenia, naciągu, zwisu i długości dla zakresu temperatur od -25 do C. Na wykresach przedstawiono funkcje: σ = f (t), N = f (t), f = f (t) i L=f(t)

Tabela 11.1

t	σ	N	f	L
-25	61,63	47116,14	11,19	410,995
-20	60,42	46191,09	11,41	411,028
-15	59,27	45311,92	11,64	411,061
-10	58,18	44478,61	11,85	411,094
-5	57,13	43675,89	12,07	411,128
-5 (sadź)	80,44	61496,38	8,57	410,658
0	56,13	42911,39	12,29	411,162
5	55,18	42185,11	12,50	411,196
10	54,27	41489,42	12,71	411,231
15	53,39	40816,66	12,92	411,266
19	52,72	40304,44	13,08	411,293
20	52,55	40174,48	13,12	411,301
25	51,75	39562,88	13,33	411,336
30	50,98	38974,21	13,53	411,371
35	50,23	38400,84	13,73	411,407
40	49,52	37858,04	13,93	411,442
60	46,91	35862,70	14,70	411,586

2. Wykresy montażowe

σ = f (t)

Rys. 11.1. Wykres naprężenia przewodów σ w zależności od temperatury

Rys. 11.2. Wykres naciągu przewodów N w zależności od temperatury

Rys. 11.3. Wykres zwisu przewodów f w zależności od temperatury

Rys. 11.4. Wykres długości przewodów L w zależności od temperatury

12. Literatura

1. Niebrzydowski J.: Sieci elektroenergetyczne. Białystok 2000.

2. Polska norma PN-E-05100: Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa.

ZWYMIAROWANY SCHEMAT PRZĘSŁA LINII ELEKTROENERGETYCZNEJ 400kV

2

L [m]

t [°C]

t [°C]

N [N]

N= f(t)

L= f(t)

f [m]

t [°C]

f = f(t)

σ [N/mm²]

t [°C]

---