Giáo trình cơ khí đường dây

Chương 1 TÍNH DÂY DẪN VÀ DÂY CHỐNG SÉT LÚC VẬN HÀNH BÌNH THƯỜNG 1.1.KHÁI NIỆM CHUNG Tính toán phần cơ khí của đường dây trên không là một nội dung trọng yếu trong toàn bộ môn học mạng điện và hệ thống điện. Như ta đã rõ đường dây trên không là thành phần chủ yếu của mạng điện. Đại bộ phận những đường dây cao áp trên 3kV đều là đường dây trên không cả. Để xây dựng đường dây trên không đối với đường dây cao áp từ 35kV trở lên mỗi cán bộ kỹ thuật chúng ta phải nắm vững những cơ bản về phần cơ khí đường dây gồm dây dẫn, dây chống sét, cột, móng ... Việc tính toán trong lúc thiết kế cũng vấn đề thi công tốt hay không tốt sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới điều kiện vận hành sau này của mạng điện về các mặt bảo đảm liên tục cung cấp điện, an toàn cho người và các ngành công nghiệp khác như giao thông vận tải, bưu điện, quốc phòng... Hiện nay ở nước ta đã xây dựng được hệ thống đường dây 35kV, 110kV, 220 kV, 500 kV tương đối lớn. Tính toàn phần cơ khí của các đường dây này là một vấn đề mới và khó khăn đối với nước ta, vì vậy nó đòi hỏi chúng ta học tập và nghiên cứu một cách sáng tạo khi thiết kế cũng như khi thi công thực tế ngoài hiện trường

Chơng 1 Tính dây dẫn và dây chống sét Lúc vận hành

bình thờng

1.1.Khái niệm chungTính toán phần cơ khí của đờng dây trên không là một nộidung trọng yếu trong toàn bộ môn học mạng điện và hệ thống

điện

Nh ta đã rõ đờng dây trên không là thành phần chủ yếu củamạng điện Đại bộ phận những đờng dây cao áp trên 3kV đều là đ-ờng dây trên không cả Để xây dựng đờng dây trên không đối với

đờng dây cao áp từ 35kV trở lên mỗi cán bộ kỹ thuật chúng ta phảinắm vững những cơ bản về phần cơ khí đờng dây gồm dây dẫn,dây chống sét, cột, móng Việc tính toán trong lúc thiết kế cũngvấn đề thi công tốt hay không tốt sẽ ảnh hởng trực tiếp tới điều kiệnvận hành sau này của mạng điện về các mặt bảo đảm liên tục cungcấp điện, an toàn cho ngời và các ngành công nghiệp khác nh giaothông vận tải, bu điện, quốc phòng

Hiện nay ở nớc ta đã xây dựng đợc hệ thống đờng dây 35kV,110kV, 220 kV, 500 kV tơng đối lớn Tính toàn phần cơ khí củacác đờng dây này là một vấn đề mới và khó khăn đối với nớc ta, vìvậy nó đòi hỏi chúng ta học tập và nghiên cứu một cách sáng tạokhi thiết kế cũng nh khi thi công thực tế ngoài hiện trờng

1 Đẳng cấp của đờng dây

Đờng dây trên không chia làm 3 đẳng cấp tuỳ theo tính chấtquan trọng của phụ tải và cấp điện áp (Bảng 1-1)

35kv Loại 1 và loại 2 (các xí nghiệpcông nghiệp Mỏ quan trọng

Chơng 1

Đối với đờng dây điện áp cao, công suất truyền tải lớn thì vấn

đề an toàn phải bảo đảm Đặc biệt đối với vấn đề rất quan trọng,chủ yếu để đảm bảo liên tục cung cấp điện và tính mệnh conngời

Vấn đề an toàn của dây dẫn và dây chống sét đợc biệu thịbằng hệ số an toàn theo công thức:

Trong đó: gh là cờng độ sức bền giới hạn của một sợi của dâyvặn xoắn dùng làm dây dẫn hoặc dây chống sét, đơn vị là kg/

Nếu là dây vặn xoắn thì lấy gh và [] của 1 sợi

Hệ số an toàn đợc lấy nh sau:

a) Nơi không có dân c:

Dây một sợi thì n = 2,5

b) Nơi có dân c và các khoảng vợt quan trọng

Dây nhôm nhiều sợi tiết diện tới 120 mm2 thì n = 2,5

Dây đồng nhiều sợi tiết diện tới 70 mm2 thì n = 2,5

Dây thép và cáp thép tiết diện tới 25 mm2 thì n = 2,5

Các dây trên nhng với tiết diện lớn hơn thì n = 2

Các dây AC với mọi tiết diện thì n = 2

Hệ số an toàn đối với dây AC ghi ở trên chỉ áp dụng cho phầnnhôm của dây điện Đối với dây nhôm lõi thép cho phép nâng caoứng suất lên 20% so với trị số tìm đợc theo hệ số an toàn địnhmức nếu điều đó đợc xác nhận bằng tính toán kinh tế kỹ thuật

Hệ số an toàn bằng 2 nghĩa là tơng ứng với sức kéo bình thờng,còn nếu n cao hơn là ứng với sức căng giảm nhẹ, nghĩa là lúc căngdây ta chỉ kéo căng vừa thôi

Để đảm bảo cờng độ sức bền cần thiết, đảm bảo an toàn,dây không đợc bé hơn tiết diện F đã quy định cho từng loại dâytrong bảng 1 2

2

 



 ghn

đợcdùng

Không

đợcdùng

b Những nơi không có dân c là: Những vùng không có nhà cửamặc dầu thờng hay có ngời lui tới và xe cộ hoặc các máy móc nôngnghiệp có thể đi lại đợc, các vờn vờn trồng rau, các nơi có nhà cửatha thớt và các công trình tạm thời

c Các nơi vợt quan trọng là những khoảng đờng dây điện đichéo nhau, đi song song sát gần nhau hoặc mắc chung nhiều lộtrên cùng một cột các khoảng vợt hoặc đi sát đờng thông tin cáckhoảng vợt đờng xe lửa đờng ô tô cấp 1 và 2, vợt sông, kênh, hồ, đitrên cầu và đê đập

Ngoài ra để tránh tác hại ăn mòn dây điện theo quy phạm, khixây dựng đờng dây trên không gần bờ biển hồ nớc mặn các xínghiệp hoá chất vv

Những nơi mà kinh nghiệm vận hành lâu năm đã xác định lànhôm bị tác hại ăn mòn thì cần phải dùng dây điện bằng đồng.Trong trờng hợp không có số liệu cụ thể về kinh nghiệm vậnhành thì lấy chiều ngang của dải gần bờ biển cần thiết cho yêucầu đã đề ra là 5 km còn các dải cách xí nghiệp hoá chất là

Các dây điện cũng nh các kết cấu khác của đờng dây trênkhông cần đợc tính toán với các điều kiện khí hậu bất lợi nhất xuấthiện trong chu kỳ 10 năm (đối với đờng dây đẳng cấp 1) hoặc 5năm (đối với đờng dây đẳng cấp 2 và 3) trong đó các trị số lấychẵn tới bộ số của 5.

Các điều kiện khí hậu tính toán ở Việt nam đợc thống kê theobảng 1.3 ở Việt nam tạm thời chia làm 4 khu vực dựa trên cơ sở tốc

độ gió khác nhau

Chú thích:

1) Các vùng có tốc độ gió lớn hơn 45m/s gọi là vùng đặc biệt.Nhiệt độ tơng ứng với lúc tốc độ gió lớn nhất (trời bão) áp dụngchung là 250C

4

2) Hiện nay việc quy định từng vùng trên bản đồ, hoặc quy

định các tỉnh trong mỗi vùng cha đợc công bố chính thức Tạmthời ta vẫn phải căn cứ vào tài liệu khí tợng để quyết định mọinơi định thiết kế đờng dây thuộc vùng nào

Qua thiết kế một số đờng dây trên miền Bắc Việt nam đã ápdụng nh sau:

Vùng I: (25m/s): Lào Cai, Phú Thọ, Thái Nguyên

Vùng II: (30m/s): Thanh Hoá, Nghệ An

Vùng III: (35m/s): Hà Nội, Hà Tây, Hải Dơng, Vĩnh Phúc, BắcNinh, Bắc Giang

Vùng IV: (40m/s: Nam Định - Thái Bình

Còn các nơi khác vì thiếu thốn tài kiệu cụ thể nên cha quy

định đợc

3) Các trị số về tốc độ gió ghi ở bảng 1.3 là áp dụng cho chiềucao kể từ 1-3cm cách mặt đất ở những nơi tuyến đờng dây đitrong thành phố mà chiều cao trung bình của nhà cửa không thấphơn 2.3 chiều cao của cột thì tốc độ gió tính đợc giảm đi 20%.Còn đối với các chiều cao trên 50m cách mặt đất thì tốc độ gióphải đợc nhân lên với một hệ số:

Đ 1.2 Phụ tải cơ giới của dây dẫn và dây chống sét

Dây dân và dây chống sét đều treo trên cột, nên nó chịu tácdụng của bản thân sức nặng của nó, sau đó phải kể tới tác dụngcủa các loại phụ tải khác nh gió, băng đóng, Gió to thì phụ tải cơgiới sẽ to, rét nhiều quá thì dây co lại, sức căng của dây tăng lên.Vậy khi phụ tải cuả dây dẫn và dây chống sét thay đổi thì độ

Chơng 1

vững sức căng thay đổi Thông thờng phụ tải cơ giới không bao giờphân bố thực đều đặn dọc theo dây, nhng tình trạng không

đều đó trên thực tế không lớn, vả lại không có cách nào tính đợc

đúng, vì vậy việc tính toán lực căng của dây đều dựa trên giảthiết phụ tải cơ giới phân bố đều đặn dọc theo dây dẫn và dâychống sét

Dạng thuận tiện nhất để biểu diễn tải trọng khi tính toán là tỷtải Tỷ tải g là phụ tải cơ giới tác dụng lên khi một đơn vị chiều dàicủa dây (1m) có tiết diện bằng 1đơn vị (mm2) tính bằngkg/m.mm2

1.Tỷ tải do trọng lợng bản thân dây dẫn g.

Tỷ tải của dây phụ thuộc vào nguyên liệu và kết cấu của dây

Đối với loại dây đơn (1 sợi), thì tỉ tải g là trọng lợng tính bằng kg

vặn xoắn bằng một số sợi dây nên lớn hơn từ 2-3 % trị số tỷ tảicủa dây đơn cùng tiết diện

Tỷ tải do trọng lợng dây dẫn bằng:

g1 = kg/m.mm2

FG

Trong đó: G là trọng lợng 1m dây dẫn (kg)

F: là tiết diện thực tế của dây dẫn (mm2)Chú ý là tính toán về phần cơ khí của dây dẫn và dây chốngsét dựa vào tiết diện thực tế của nó, còn khi tính toán về phần

điện thì lại đa vào tiết diện định mức của nó

2.Tỷ tải của gió g 2 tác dụng lên dây dẫn.

Sức ép của gió tác dụng lên dây dẫn và cột quyết định bởi

động năng của không khí khi chuyển động

Gọi động năng của gió là:

P = a.k.q.S kgTrong đó: a là hệ số không đều của gió

k là hệ số động lực của không khí

S là bề mặt cản gió, đơn vị là m2 Nếu gió thổi chếch đi thìphải nhận thêm với sin ( là góc hợp bởi giữa tuyến dây và chiềugió)

Hệ số phân bố không đều a của gió dọc theo khoảng vợt phụthuộc tốc độ v của gió

v d k

Vậy tỷ tải của gió trên dây dẫn là:

g2(v) =

1000.F.16

v d k

Chữ v trong ký hiệu tỷ tải g2(v) chỉ rõ tỷ tải của gió ở tốc độgió là v m/sec

3.Tỷ tải tổng hợp tác dụng lên dây dẫn.

Tải trọng tổng hợp trên toàn dây dẫn gồm 2 thành phần:

2

Chơng 1

Đ 1.3 Sức căng và độ võng của dây dẫn

1 Xác định độ võng và chiều dài dây dẫn trong khoảng vợt:

Giả thiết phụ tải cơ giới phân bố đều đặn trên dây với tỷ tải

là g và dây đợc treo tự do trên 2 điểm A và B có cùng một độ caothì dây dẫn sẽ võng xuống thành một đờng cong có dạng dâyxích có phơng biểu diễn là:

Giả thiết ở điểm treo B không có ma sát (ròng rọc lý tởng) thìtrọng lợng đoạn dây Be vừa bằng sức căng của dây xích tại điểm

B gọi là TB:

TB = g.y2 F (kg)Với công thức này ta có thể tìm đợc sức căng của dây ở bất kỳmột đểm nào trên dây với điều kiện thay y bằng trị số y tơng ứngvới điểm đó Nh vậy sức căng ở điểm thấp nhất bằng:

To = g h0 F (kg)Vậy sức căng dọc theo dây dẫn ở điểm treo dây B lớn hơn sứccăng ở điểm thấp nhất một lợng

TB - T0 = g.yzF – g.y0F = GF(yz - h0) = gFf (kg)

Gọi B (kg/mm2) là ứng suất của dây ở điểm B, 0 là ứng suấtcủa dây ở điểm C, ta có:

TB = B F và TC = 0 F (kg)

8

l f

Từ đó rút ra:

(B - 0 )F = g F f (kg) Vậy: B = 0 + g.f

Từ công thức trên ta thấy nếu biết đợc ứng suất của điểm thấpnhất 0 và biết độ võng tơng ứng thì ta có thể tính đợc ứng suấtbất kỳ ở điểm nào

Sức căng tác dụng ở một điểm bất kỳ nào đó của dây dẫn thìhớng theo phơng của tiếp tuyến tại điểm ấy của đờng cong treo

theo hớng nằm ngang

ở trên đó ta đã có: T0 = g.h0F, vậy thông số

h0 =

gF.g

!4

xh

1

!2

x

3 0

4 0

2



vào ta đợc:

!4

g

!2g

0

3 2 0

!2g

g

0

3 4 0

Chơng 1

f =

0

2.8

g

3

h

1

!5

xh

1

!3

3

h

1

!5

xh

1

!3

l

2 0

2 3

l g

Công thức trên có thể biểu diễn đơn giản hơn:

L = l +

l3

f

8 2

Hai công thức tính f và L đợc coi nh những công thức cơ bảntrong phép tính toán cơ giới của đờng dây trên không, cả hai côngthức đó đều có dạng phơng trình parabol

Tóm lại với với phép tính gần đúng, chúng ta đã biến công thứcchính có dạng đờng dây xích ra những phơng trình parabol vànhững phơng trình dây xích ra những công thức có dạngparabol

1 0

Hình 1.2 Lực tác dụng lên một nửa khoảng vợt dây dẫn

Vậy cần phải xét xem dựa trên giả thiết nào mà chúng tanhận đợc phơng trình parabol mà không phải là phơng trình đ-ờng dây xích

Giả thiết ta cắt đờng dây xích ở điểm thấp nhất C và ta vẫn

bị thay đổi, nghĩa là vẫn giữ đợc trạng thái cân bằng của mômen

Lấy mô men của các lực (nh trên hình 1.2) đối với điểm A có:

có

8

g

l f

2

0

diện cắt ngang F của dây ta có:

f

4

l.2

F.g.lF

gF.l

Flg

Ta thấy

2

Flgchính là trọng lợng của dây có chiều dài là

P 

còn b =

4

1, có nghĩa là ta coi trọng lợng P của dây dẫn phân bố đều

đặn không phải dọc theo dây dẫn mà là dọc theo khoảng vợt l,

đồng thời coi trọng lợng P tập trung cách điểm A một đoạn là 1

4 Vậy nếu sử dụng phơng trình pa-ra-bôn, với giả thiết trên mộtkhi tính toán ta đã phạm một sai số nhất định vì: độ dài thực tế Lcủa dây trong một khoảng vợt l thì lớn hơn l từ 0,1 - 0,3% Sai số

Từ 2 phơng trình này cho ta thấy rằng:

- Thành phần nằm ngang của sức căng ở bất kỳ điểm nào củadây dẫn cũng bằng sức căng của dây dẫn ở điểm thấp nhất trongmột khoảng vợt

- Thành phần thẳng đứng của sức căng ở bất kỳ điểm nào củadây dẫn cũng bằng trọng lợng của dây dẫn từ điểm đó tới điểmthấp nhất trong một khoảng vợt

Vậy sức căng của dây dẫn ở điểm A bằng

TA = )2 T20

2

1gF

3 Xác định khoảng cách an toàn của dây dẫn:

Trong một số trờng hợp ta cần phải tính độ võng y tại 1 điểmnào đó trong khoảng vợt để kiểm tra khoảng cách an toàn Ví dụ

1 2

l/2 A

nh trờng hợp mặt đất không bằng phẳng có chỗ cao chỗ thấp nênkhoảng cách gần nhất giữa mặt đất với dây dẫn không nhất thiếtphải là khoảng cách giữa điểm thấp nhất trong khoảng vợt củadây với mặt đất mà có thể là giữa điểm cao nhất của mặt đấtvới dây dẫn nh hình 1-4 Với hình vẽ này thì khoảng cách gầnnhất đó là H.

Hình 1.4 Khoảng cách bé nhất từ mặt đất đến dây dẫn

tr-ờng hợp mặt đất không bằng phẳng

Với 2 trục toạ độ By và Bx khoảng vợt dài là l, ta sử dụng phơngtrình parabol tính ra:

l

x1(l

x.f.4



Thay l =

0

2.8

gl

1

xl(l

x g l

g)xl(x

Sau khi tính đựoc y và biết đợc chiều cao h của điểm cao nhấttrên mặt đất, ta có thể tính đợc trị số của H, đó là khoảng cách antoàn Phơng trình trên cũng áp dụng để tính độ cao của dây dẫn ởcác nơi cần thiết nh khoảng vợt chạy qua đờng ô tô, đờng sắt, bắtchéo với đòng dây thông tin

1-4 ứng suất và độ võng của dây dẫn trong điều kiện khí

hậu khác nhau

l f

Chơng 1

Với nhiệt độ khác nhau phụ tại cơ giới khác nhau (gió, băng) thìứng suất và độ võng của dây dẫn trong một khoảng vợt cũng thay

đổi khác nhau

Giả thiết tại nhiệt độ m dây dẫn có tỷ tải là gm ứng suất là m

thì độ dài dây dẫn trong một khoảng vợt là:

Lm = l - 2

m

2 m 3.24

g l

Hãy tìm ứng suất  của dây dẫn trong điều kiện khí hậu mới:Nhiệt độ là n tỷ tải là gn

ở trạng thái mới này, chiều dài của dẫn trong khoảng vợt sẽ bằng:

Ln = l +

 24

g l

2 n

2 n 3

Gọi α là hệ số dãn nở theo nhiệt độ của nguyên liệu cấu tạodây dẫn Gọi E là mô đuyn đàn hồi của dây dẫn

m

2 m 3

24

g l

24

g l

dây dẫn trong một khoảng vợt và độ dài của khoảng vợt tơng đốinhỏ Vậy phơng trình trên còn:

g l

2 m

2 m

2 n

2 n

2 n 2

2 m

2

)(

)(n m  n m



24

g.l2 n

2 n

2

24

g.l

m n 2

m

2 m

Phơng trình trên gọi là phơng trình trạng thái của dây dẫn

Đó là phơng trình cơ bản quan trọng trong việc tính toán dâydẫn Với phơng trình trên khi biết ứng suất m, tỷ tải gm và nhiệt

độ m thì ta có thể tính ra đợc ứng suất n trong điều kiện mới với

tỷ tải gn và nhiệt độ n

Khi đã biết ứng suất n và tỷ tải gn thì rất dễ dàng tính ngay

đợc độ võng của dây trong điều kiện khí hậu mới

fn =

 8

g l

n n 2

Phơng trình trạng thái ở trên là một phơng trình bậc 3 đối với

phơng pháp lựa chọn (mò), muốn thế ta phải đa nó về dạng:

n -

2n

B = A

trong đó A và B là các hệ số có đợc bằng cách thay tất cả cáctrị số đã biết vào phơng trình cơ bản (1-5)

Đ1.5 Khoảng vợt tới hạnứng suất của dây dẫn thay đổi tuỳ theo điều kiện khí hậu

và điều kiện phụ tải cơ giới tác dụng lên nó

Chơng 1

Ta phải biết trong một khoảng vợt nhất định, lúc nào thì ứngsuất của dây dẫn lớn hơn cả (tức là dễ đứt) ứng suất lớn nhất cóthể phát sinh khi:

-Nhiệt độ thấp nhất vì lúc đó dây dẫn có độ dài ngắn nhất

ở trong một khoảng vợt nhất định

-Phụ tải cơ giới tác dụng lên dây dẫn lớn nhất (lúc gió to nhất ) Vậy vấn đề đặt ra ở đây là với một khoảng vợt nhất địnhtrong trờng hợp nào thì ứng suất lớn nhất của dây dẫn xuất hiện,

có nắm vững đợc điều đó thì mới có thể tiến hành tính toán

đuợc

Ta hãy phân tích ảnh hởng của nhiệt độ và tải trọng trên dâydẫn theo chiều dài khoảng vợt Muốn thế ta dùng phơng trình trạngthái cơ bản của dây dẫn:

.24

g.l24

gl

m n 2

m

2 m 2 m 2 n

2 n

2

2 2

g

2 m

2 m 2

n

2 n

Từ phơng trình này ta thấy ứng suất của dây dẫn chỉ cóquan hệ với phụ tải cơ giới mà thôi Vậy tạm thời ta cũng có thể kếtluận:

1 6

Với các khoảng vợt lớn, ứng suất của dây dẫn sẽ lớn nhất khi phụtải cơ giới lớn nhất.

Nh vậy ta phải tìm một khoảng vợt tới hạn là khoảng vợt mà ở

đó ứng suất lớn của dây dẫn sẽ xuất hiện trong cả 2 trờng hợphoặc nhiệt độ thấp nhất hoặc phụ tải cơ giới nhất

Dới đây ta xác định khoảng vợt tới hạn đó: Gọi lth là khoảng vợttới hạn

g0 = g1 là tỷ tải của dây dẫn lúc nhiệt độ thấp nhất

gm= gbão là tỷ tải của dây dẫn lúc phụ tải cơ giới lớn nhất

n = min là nhiệt độ thấp nhất của không khí

m = bão là nhiệt độ lúc phụ tải cơ giới lớn nhất xuất hiện

Với khoảng vợt tới hạn thì n và m trong phơng trình (1.5) phảibằng ứng suất cho phép [] của vật liệu dây dẫn

Sau khi thay thế các trị số vào phơng tình 1.5 ta có:

[] -

gl][24

gl

bao min 2

2 bao

2 th 2

2 1

2 th

lth =  

gg

)(

24

2 1

2 bao

min bao

Sau khi tính đợc khoảng vợt tới hạn lth, ta dễ dàng suy ra:

-Khi khoảng vợt l lớn hơn lth thì ứng suất lớn nhất của dây dẫn

sẽ xuất hiện lúc phụ tải cơ giới lớn nhất

-Khi khoảng vợt l bé hơn lth thì ứng suất lớn nhất của dây dẫn

sẽ xuất hiện lúc nhiệt độ thấp nhất

Đ1.6 Độ võng và ứng suất của dây nhôm lõi thép

Ta xét dây phức hợp chủ yếu là dây nhôm lõi thép Phần nhôm

để tải điện, phần thép để tăng sức bền, ứng suất Al và Fe của