Воздушным линиям, находящимся на открытом воздухе приходится, помимо основной нагрузки, т. е. веса провода, подвергаться еще воздействию дополнительных нагрузок: от давления ветра, образующегося на них льда, а иногда и одновременно льда и ветра. В некоторых случаях ледяная корка получается настолько значительной толщины и веса, что провода, на которых она образуется, не могут выдержать этой нагрузки и обрываются, а иногда под действием особо сильного льда выворачиваются столбы, и линии электропередач выходят из строя на продолжительный срок. Кроме того, существенное влияние на внутренние усилия в проводах оказывает также температура окружающего воздуха.
Для надёжной работы проводов, опор и других конструктивных элементов производят расчёт механической прочности линии, или механический расчёт. Целью механического расчёта проводов является определение напряжений в их материале при разнообразных климатических условиях. Механический расчёт позволяет определить стрелы провеса проводов, необходимые для подсчёта расстояний до поверхности земли и инженерных сооружений: определить механические нагрузки, действующие на опору, изоляторы, крюки. Результаты механического расчёта используются для составления монтажных таблиц или постороения соответствующих графиков, являющихся необходимым руководством при монтаже проводов воздушных линий.
Для того чтобы внести некоторые упрощения в практические расчёты, все нагрузки считают равномерно распределёнными вдоль всех проводов в данном пролёте. Следует также отметить, что при подобных расчётах в целях их упрощения все нагрузки принимаются как чисто статические. Механический расёт в основном относится к проводам. Это вызвано тем, что в настоящее время разработаны типовые конструкции опор для различных климатических районов России, и разработка конструкций опор целесообразна лишь в тех весьма редких случаях, когда имеющиеся типовые проекты не отвечают особым спецефическим условиям данной местности.
Приведём исходные данные для расчета ВЛ
Таблица 3.13. Данные для механического расчёта ВЛ.
| Наименование характеристики | Величина |
| Номинальное напряжение | 220 кВ |
| Сечение и марка провода | АС-150/19 |
| Скоростной напор ветра | 50 кг/м2 |
| Ветровой район | III |
| Район по гололеду | I |
| Нормативная толщина стенки гололеда для данного района | 5 мм |
| Сечение стали провода | 19 мм2 |
| Сечение алюминия провода | 150 мм2 |
| Общее сечение проводов | 169 мм2 |
| Диаметр провода | 17 мм |
| Вес одного километра | 671 кг |
| Длина пролета |
При расчётах проводов на механическую прочность удобно пользоваться так называемыми удельными нагрузками, т.е. нагрузками, отнесёнными к единице длины провода и единице его поперечного сечения. Они представляют собой нагрузки на 1 м длины провода или отнесённые к 1 мм2 его поперечного сечения.
Определяем погонные и приведенные нагрузки на провод и трос:
кг/м
1.025 – коэффициент, учитывающий удлинение отдельных проводов при их скрутке в процессе изготовления провода.
кг/м
0.0009 кг/см3 – удельный вес льда.
Погонная нагрузка от массы провода с гололедом
P3=Р1+Р2=0.745+0.34=1.085 кг/м
Где P1 – погонная нагрузка собственного веса провода;
P2 – погонная нагрузка на провод при толщине стенки гололеда 5 мм.
Приведенная нагрузка
кг/м·мм²
S - общее сечение провода, мм²
кг/м
Где -коэффициент неравномерности воздушного напора=0,79 при воздушном напоре
50 кг/м2 [14]
СХ – коэффициент лобового сопротивления для всех проводов и тросов, покрытых льдом и гололёдом принимаем СХ = 1,2 [14]; g - скоростной напор (кг/м²);
кг/м
Результирующая удельная нагрузка на провод равна геометрической сумме вертикальных и горизонтальных нагрузок:
без гололёда 
кг/м
с гололёдом 
кг/м
кг/м·мм²
с гололёдом 
кг/м·мм²
Определение критических пролетов.
Критическим пролётом называется пролёт такой длины, при котором наибольшее напряжение наступает как при наибольшей добавочной нагрузке, так и при наименьшей температуре. Формула критического пролёта имеет вид:
Где lКР – критический пролёт, м; σМ – максимальное напряжение, кг/см2;
γМАКС – удельная максимальная нагрузка, кг/м·мм2;
γМИН – удельная нагрузка при минимальной температуре, кг/м·мм2;
ТМАКС – температура при максимальной нагрузке, ˚С; ТМИН – минимальная температура, ˚С; α – температурный коэффициент линейного расширения материала провода, град-1.
При 40 ˚С удельная нагрузка равна γ1, а при гололёде (-5 ˚С) удельная нагрузка равна γ7. Подставляя эти значения в предыдущее уравнение и производя преобразования, получим выражение для критического пролёта в следующем виде:
,
где σДОП – допускаемое напряжение, кг/см2, меняется для провода в зависимости от условий, в которых он находится. Подставляем в это выражение значения коэффициента и удельные нагрузки и получим выражение для определения критического пролёта в зависимости от допустимого напряжения:
Приведём данные для провода АС-150/19 из [14] и подставим значения напряжения в формулу, тем самым получим критические длины пролётов для различных режимов работы.
Таблица 3.14. Максимально допустимые напряжения в проводе.
| Допустимое напряжение в различных случаях, кг/мм2 | Значение критического пролёта, м | |
| При наибольшей внешней нагрузке | 13.2 | 382.8 |
| При низшей температуре, ˚С | 10.5 | 333.5 |
| При среднегодовой температуре, ˚С | 8.8 | 181.25 |
Если действительный пролёт меньше критического, то наибольшее напряжение в проводе наступает при Т=-40 ˚С, а если больше критического, то при гололёде с ветром, величину этого наибольшего напряжения в проводе подставляем в формулу для определения напряжения для заданных условий, приведём её ниже. Расчёт согласно [14].
В нашем случае максимальное напряжение в проводе наступает при низкой температуре, так как действительный пролёт меньше критического. Значение напряжения для низкой температуры в [14] и составляет σМ=10.5 кг/мм2. Подставим величину известного напряжения для заданных условий в данное выражение и определим действительное напряжение в проводе при низкой температуре и ветре
Данные для определения напряжения:
Заданное механическое напряжение σM=10.5 при температуре ТМ=-40 ˚С и удельной нагрузке γ1=3.46·10-3 кг/м·мм2.
Модуль упругости Е=8.25·103 Па, тогда
-
коэффициент упругого удлинения материала, т.е. величина, показывающая изменение единицы длины провода при увеличении напряжения материала на 1 кг/мм2. α=23·10-6, град-1 – температурный коэффициент линейного расширения материала провода.
Подставим заданные и реальные значения для ветра и гололёда.
При данном сочетании параметров напряжение будет
Данное уравнение решаем в Mathcad-е и получаем два решения – комплексные числа и одно – действительное, оно и будет искомым напряжением в проводе при ветре и низкой температуре. σ=11.65 кг/мм2
Максимальным напряжением для данного провода является значение 13.2 кг/мм2, т.е. напряжение, возникающее в проводе при длине пролёта 170 м ветре и низкой температуре близко к максимальному, не превышает его, значит провод АС-150/19 пригоден к использованию.
Определим стрелу провеса провода
м
Длина провода в пролёте будет:
м
Нормативное расстояние от проводов ВЛ-220кВ до земли СН=7м.
Активная высота опоры Н-15м.
Максимальная высота провеса
SMAX = Н – (Сн + 0,4) = 15 - (7 + 0,4) =7,6 м (103)
Где 0,4 – запас в габарите на возможные неточности в монтаже.
В нашем случае максимальная высота провеса составляет 1.71 м, значит по этому пункту проверки провод тоже проходит.