在对输配电线路的导、地线及杆塔进行受力分析时,我们首先要进导、地线或杆塔荷载的计算。今天小编主要介绍导、地线荷载的计算,计算荷载的基础是先计算导、地线的比载,导、地线比载的计算公式小编在《架空输电线路导、地线的比载》介绍过,今天小编主要分享该公式的计算应用。杆塔荷载计算小编另作专题介绍。
在《架空输电线路导、地线的比载》中,我们介绍过作用在导、地线上的机械荷载有自重荷载、冰重荷载和风荷载,根据作用力方向的不同,其中自重荷载与冰重荷载属于垂直荷载,风荷载属于水平荷载,另外垂直荷载与水平荷载的的综合荷载属于综合荷载。
在《输电线路用导、地线机械物理参数及最大使用应力应用示例》中我们介绍过导、地线受力荷载有垂直荷载(导线自重与有冰是冰重,垂直比载与垂直档距之积)、水平荷载(风压荷载,风压比载与水平档距之积)与纵向荷载(一般指导、地线弧垂最低点的张力,最低点应力与导、地线截面之积)。故我们求垂直荷载、水平荷载就需要先求出导、地线的垂直比载、水平比载。下面我们介绍导、地线的比载的相关计算,导、地线最低点应力小编另专题单独介绍。
导、地线的比载就是单位长度导、地线上的荷载折算到单位面积上的数值,故导、地线的比载也有自重比载、冰重比载和风压比载。其中自重比载与冰重比载属于垂直比载(自重比载与冰重比载之和叫垂直总比载);风压比载属于水平比载(水平比载分无冰风压比载、覆冰风压比载);垂直比载与水平比载的的综合比载属于综合比载(综合比载分无冰有风综合比载、覆冰有风综合比载)。如下图所示:
图 无冰垂直比载、无冰水平比载、无冰综合比载示意图
图 覆冰垂直比载、覆冰水平比载、覆冰综合比载示意图
比载一般采用γ(b,V)表示,b 表示相应覆冰厚度,v 表示相应风速,当 b=0 时表示无冰,当 v=0 是表示无风,但他们同时为零是表示无冰无风。单位是N/(m·mm2)或MPa/m。
以上比载是根据作用力方向的不同进行区分的,在我们工作中应用的比载是针对某一气象条件下的比载,主要有以下几种情况:该气象可能无风无冰,此时只有导、地线比载为垂直比载;该气象可能无风有冰,此时导、地线比载为垂直总比载(导、地线自重比载与冰比载之和);该气象可能有风无冰,此时只有导、地线比载为无冰有风综合比载;该气象可能有风有冰,此时只有导、地线比载为覆冰有风综合比载。气象条件各种参数的取值参考小编介绍的《输电线路气象的用途及设计用气象参数值计算及选取》。
下面小编以前面我们介绍的《输电线路用导、地线机械物理参数及最大使用应力应用示例》中的钢芯铝绞线JL/G1A-500/45-48/7为例,全国典型气象条件Ⅴ类为例(但风速以V=25m/s计),计算《输电线路气象的用途及设计用气象参数值计算及选取》中气象的比载。本次计算电压等级按220kV计,地面粗糙度按B类考虑,下导线平均高度按15米计。
1.1 导线基础参数
钢芯铝绞线JL/G1A-500/45-48/7 的导线截面 A=531.68mm2,外径 d=30.00mm,单位长度质量 q = 1685.5 kg/km。
1.2 常用气象基础参数
(1)基本风速:
V=25m/s,b=0mm,t=10℃。
主要用于计算导、地线和杆塔的强度或刚度,校验工作电压下的电气间距。基本设计风速也是计算边导线风偏时对地和凸出物电气间距的校验条件。
(2)最低气温:
t=-10℃。,V=0m/s,b=0mm。
该气象组合主要用于导、地线强度设计、绝缘串的上拔校验。也是线路钻越其它线路时校验地线与其他线路的电气距离的校验条件。
(3)覆冰无风(最大垂直比载):
b=10mm,V=0m/s,,t=-5℃。
该气象组合是导线对地和跨越物电气间距的校验条件。
(4)覆冰有风(最厚覆冰):
b=10mm,V=10m/s,,t=-5℃。
相应的风速一般为10m/s(中、轻区),当有可靠资料表明需加大风速时可以采用15m/s(重冰区)。该气象组合是导、地线和杆塔强度、刚度的设计依据,也是风偏后边导线对地和凸出物电气间距的校验条件。
(5)最高气温:
t=40℃,b=0mm,V=0m/s。
该气象组合是导线对地和跨越物电气间距的校验条件,也是计算导线发热的条件。
(6)年平均气温:
V=0m/s,b=0mm,t=15℃。
微风振动的防振设计条件,计算内过电压下的电气间距,耐张绝缘子串的倒挂等。
(7)外过无风:
t=15℃。,V=0m/s,b=0mm。
该气象组合主要用于校验导线与地线之间的距离。根据《110KV~750KV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010 ) 第7.0.15条。
(8)外过有风:
t=15℃。,V=10m/s,b=0mm。
该气象组合主要用于校验悬垂串风偏后的电气间距。
(9)内过电压:
t=15℃。,b=0mm,V=15m/s。
该气象组合主要用于校验悬垂串风偏后的电气间距,也是校验塔头结构布置(导线风偏相间最小间隙)的气象参数之一。
(10)校验断联:
V=0m/s,b=0mm,t=-5℃。
(11)校验断线:
V=0m/s,b=10mm,t=-5℃。
(12)校验邻档断线:
V=0m/s,b=0mm,t=15℃。
(13)安装气象:
V=10m/s,b=0mm,t=-5℃。
这一气象组合基本上概括了全年安装、检修时的气象情况。对于冰、风中的事故抢修,安装中途出现大风等其它特殊情况,要靠采取临时措施来解决。对于6级以上大风等严重气象条件,则应暂停高空作业。根据《110KV~750KV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010 ) 第4.0.11 规定,安装时气温按下表规定取值。
(14)带电作业:
V=10m/s,b=0mm,t=15℃。
用于带电作业的间隙校验。
通过以上气象条件分析比载主要为无风无冰比载,既自重比载;无风覆冰比载,既冰重比载与垂直总比载,覆冰厚度b=10mm;无冰有风比载,既无冰有风水平比载与综合比载,风速有V=10m/s、V=25m/s;覆冰有风比载,既覆冰有风水平比载与综合比载,风速V=10m/s,覆冰厚度b=10mm。且知道以上因为气象条件不同而风速不同,故无冰有风综合比载需根据实际情况计算相应的风速比载。
垂直比载主要计算导则的自重比载、覆冰比载与垂直总比载,从气象条件中知道覆冰厚度b=10mm。
2.1 自重比载
根据《架空输电线路导、地线的比载》知导、地线自重比载为:
式中:
q -- 导、地线的单位长度质量,kg/km, q = 1685.5 kg/km;
A -- 导、地线的截面,mm2,A = 531.68mm2;
g -- 重力加速度,g = 9.80665m/sm2。
所有气象条件下的导线都有自重比载,所以γ1(0,0)用于所有气象条件的自重比载计算。
2.2 冰重比载
冰重比载是导、地线上的覆冰重量引起的比载。在覆冰厚度为b时,单位长度导、地线上的覆冰体积与冰重比载分别为:
式中:
d -- 导、地线的外径,mm,d=30.00mm;
b -- 覆冰厚度,mm,b=10mm;
ρ -- 0.9×103,kg/cm3;
冰重比载主要用于覆冰无风、覆冰有风、校验断线导线的覆冰比载。
2.3 垂直总比载
垂直总比载是自重比载与冰重比载之和:
垂直总比载主要用于覆冰无风、覆冰有风、校验断线导线的自重比载与覆冰比载的垂直总比载。
水平比载主要是在风荷载作用下会产生风压比值,风压比值是单位长度架空线上(无冰或有冰)的基本风压。从以上气象条件我们知道有风主要气主条件有基本风速V=25m/s与外过、安装及覆冰有风等V=10m/s的风速气象条件。故我们主要计算V=10m/s与V=25m/s无冰风压比载与V=10m/s的有冰风压比载。
根据GB 50545 - 2010 10.1.18 条可以得无冰风压比载与有冰无风比载公式公式如下:
式中:
a -- 风压不均匀系数,应根据设计基本风速查 GB 50545-2010 表10.1.18-1或表10.1.18-2;如下表所示:
表 风压不均匀系数α和导地线风荷载调整系数bc
mZ -- 风压高度变化系数,基准高度为15m,的风压高度变化系数查 GB 50545-2010 表10.1.22,如下表所示;
表 风压高度变化系数mZ
mSC -- 导线或地线的体型系数:线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)应取mSC=1.2;线径大于或等于17mm,mSC取1.1;
bc - 500kV和750kV线路导线及地线风荷载调整系数,仅用于计算作用于杆塔上的导线及地线风荷载(不含导线及地线张力弧垂计算和风偏角计算),bc应按 查 查 GB 50545-2010 表10.1.18-1;其它电压级的线路bc取1.0;
d -- 导、地线的外径,mm;
b -- 覆冰厚度,mm;
B -- 覆冰时风荷载增大系数,5mm冰区取1.1,10mm冰区取1.2;
v -- 风速,m/s。
A -- 导、地线的截面,mm2。
3.1 无冰风压比载:
1)基本风压比载
基本风速V=25m/s,基本风压比载主要用于基本风速导线的水平比载计算,具体计算如下:
式中:
α -- 风压不均匀系数,本比载用于计算杆塔用,V=25m/s,根据 GB 50545-2010 表 10.1.18-1 得a=0.85;
mZ-- 风压高度变化系数,地面粗糙度按B类考虑,下导线平均高度按15米计,根据GB 50545-2010 表10.1.22得mZ =1.14;
mSC -- 导线直径为30mm,mSC=1.1;
bc-- 220kV,bc=1.0;
d -- 导、地线的外径,mm,d=30mm;
v -- 风速,m/s,V=25m/s。
A -- 导、地线的截面,mm2,A = 531.68mm2;
2) 其他风压比载
外过有风、内过电压、安装气象及带电作业的风速都为V=10m/s,其导线的风压水平比载,计算如下:
式中:
a -- 风压不均匀系数,本比载用于计算杆塔用,V=10m/s,根据 GB 50545-2010 表 10.1.18-1 得a=1.0。
内过电压的风速为V=15m/s,其导线的风压水平比载,计算如下:
式中:
a -- 风压不均匀系数,本比载用于计算杆塔用,V=15m/s,根据 GB 50545-2010 表 10.1.18-1 得a=1.0。
3.2 有冰风压比载:
覆冰有风的风速为V=10m/s,其导线的风压水平比载,计算如下:
式中:
a -- 风压不均匀系数,本比载用于计算杆塔用,V=10m/s,根据 GB 50545-2010 表 10.1.18-1 得a=1.0;
b -- 覆冰厚度,mm,b=10mm;
B -- 覆冰时风荷载增大系数,覆冰b=10mm,B=1.2;
4.1 无冰风压比载:
1)基本风压综合比载
基本风压综合比载主要用于基本风速导线的垂直比载与水平比载的综合比载计算,具体计算如下:
2)其他风压综合比载
外过有风、内过电压、安装气象及带电作业的导线的垂直比载与水平比载的综合比载计算,具体计算如下:
内过电压的导线的垂直比载与水平比载的综合比载计算,具体计算如下:
4.2 有冰风压综合比载:
覆冰有风的导线的垂直总比载与水平比载的综合比载计算,具体计算如下:
根据以上计算,各气象的比载计算入下表:
以上计算适合110kV~750kV架空输电线路导、地线荷载的比载计算,66kV及以下架空电力线路的导、地线垂直比载与上相同,水平比载与上有一点的差异,其计算公式如下所示:
式中:
a --风荷载档距系数,应根据设计风速查 GB 50061-2010 表8.1.6 获得,如下表:
d -- 导、地线覆冰后的计算外径之和,对分裂导线,不应考虑线间的屏蔽影响,mm;
b -- 覆冰厚度,mm;
A -- 导、地线的截面,mm2。
mS -- 风荷载体型系数,当d<>1.2;当d≥17mm,取1.1;覆冰时,取1.2。
v -- 风速,m/s。
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