CƠ SỞ LÝ THUYẾT: CƠ LÝ ĐƯỜNG DÂY

Các tính toán cơ sở:Để thiết kế một công trình đường dây, người thiết kế cần phải tính toán các phần căn bản: + Tính toán về điện đường dây Tính toán về điện đường dây bao gồm như: tính

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CƠ LÝ ĐƯỜNG DÂY

I Các tính toán cơ sở:

Để thiết kế một công trình đường dây, người thiết kế cần phải tính toán các phần căn bản:

+ Tính toán về điện đường dây

Tính toán về điện đường dây bao gồm như: tính chọn tiết diện dây dẫn, dây chống sét, dây cáp quang; tính chọn số bát cách điện; tính toán nối đất; tính toán phân bố cường độ điện trường dưới đường dây

+ Tính toán về cơ lý đường dây

Tính toán về cơ lý đường dây bao gồm như: tính chọn tải trọng cho cách điện và phụ kiện đường dây; tính chọn khối lượng tạ bù; tính ứng suất và độ võng căng dây; tính khoảng cột gió và trọng lượng; tính lực đầu cột; tính chọn khoảng cột sơ bộ; kiểm tra khoảng cách an toàn vượt

và chui, kiểm tra khoảng giữa các dây dẫn, khoảng cách dây dẫn - dây chống sét

+ Tính toán về xây dựng đường dây

Tính toán về xây dựng đường dây bao gồm như: tính kết cấu cột, tính kết cấu móng, tính bulong móng

II Một số loại dây thông dụng được lựa chọn để thiết kế:

Dây nhôm:

Ký hiệu: A+ tiết diện danh định của dây (mm2)

VD: A-50; A-70; A-90;

Dây đồng:

Ký hiệu: M+ tiết diện danh định của dây (mm2)

VD: M-50; M-70; M-90;

Dây nhôm lõi thép:

Ký hiệu: ACSR+ tiết diện danh định phần nhôm/ thép của dây (mm2) VD: ACSR-185/29; ACSR-240/39; ACSR-300/39; ACSR-400/51;

Dây hợp kim nhôm:

Ký hiệu: AAAC+ tiết diện danh định của dây (mm2)

Dây hợp kim nhôm lõi thép:

Ký hiệu: AACSR+ tiết diện danh định phần hợp kim nhôm/ thép (mm2)

Dây hợp thép mạ kẽm:

Ký hiệu: GSW+ tiết diện danh định dây (mm2)

VD: GSW-50; GSW-70; GSW-90;

Dây chống sét kết hợp với cáp quang:

Ký hiệu: OPGW+ tiết diện chịu lực của dây (mm2)

VD: OPGW-50; OPGW-70; OPGW-90;

III Thông số tính toán cơ bản:

Thông số dây dẫn:

+ Tỉ tải bản thân: g1 = Khối 1m dây/ tiết diện dây (daN/m.mm2)

Ghi chú: Nếu dây có gắn KĐV hoặc cầu cảnh báo thì tỉ tải của dây được cộng thêm thêm tỉ tải của KĐV hoặc cầu cảnh báo

+ Hệ số giản nở nhiệt: α (1/oC)

+ Mô đun đàn hồi: E (daN/mm2)

+ Tiết diện chịu lực: F (mm2)

+ Đường kính ngoài cùng: d (m).

+ Lực kéo đứt (giới hạn): T đứt (daN)

+ Ứng suất kéo đứt (giới hạn): σđứt = T đứt /F (daN/mm2)

+ Ứng suất cho phép lớn nhất: σmax = σđứt *k 1 /100 (daN/mm2)

+ Ứng suất cho phép trung bình: σtb = σđứt *k 2 /100 (daN/mm2)

Trong đó: k 1 và k 2 được tính theo % ứng suất kéo đứt của từng loại

dây được quy định tại Điều II.5.35 “11 TCN–19–2006” như bảng sau:

Tiết diện của dây dẫn và dây chống sét

Ứng suất cho phép tính theo % ứng suất kéo đứt của dây dẫn và dây

chống sét

Khi tải trọng ngoài lớn nhất và nhiệt độ

thấp nhất (k 1)

Khi nhiệt độ trung bình năm

(k1)

Dây nhôm, mm 2 :

• 16-35

• 50 và 70

• 95

• ≥ 120

35 40 40 45

25

Dây hợp kim nhôm, mm 2 :

• 16-95

• ≥ 120

40 45

30

Dây chống sét bằng thép với mọi

Dây nhôm lõi thép và hợp kim

nhôm lõi thép, mm 2 :

• 16-25

• 35-95

• ≥ 120 khi A:C = 6,11 ÷ 6,25

• ≥ 120 khi A:C = 4,29 ÷ 4,39

• ≥ 150

35 40 40 45 45

25

Thông số gió:

Áp lực gió tiêu chuẩn:

Áp lực tiêu chuẩn ở độ cao Hqđ dùng để tính toán tải trọng tác dụng lên cột được xác đinh theo công thức sau:

Q H = Q 0 k

Trong đó:

+ Q H [daN/m2]: Áp lực gió tiêu chuẩn ở độ cao Hqđ dùng để tính toán cơ

lý dây và tải trọng tác dụng lên cột

+ Q 0 [daN/m2]: Áp lực gió tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 ở độ cao cơ sở được quy định theo vùng gió (xem bảng III-1)

Bảng III-1: Giá trị áp lực gió theo TCVN 2737-1995

Chú ý : Giá trị Q0 ở bảng trên được giảm 10 daN/m2 đối với vùng gió I.A, giảm 12 daN/m2 đối với vùng gió II.A và giảm 15 daN/m2 đối với vùng gió III.A nhưng không được nhỏ hơn 60daN/m2 đối với ĐDK từ 110kV trở lên (Điều II.5.20 của Quy phạm trang bị điện)

+ k: Hệ số điều chỉnh theo độ cao và dạng địa hình theo TCVN

2737-1995 (xem bảng III-2)

Khi k = 1 thì Q = Q 0 được gọi là áp lực gió tiêu chuẩn ở độ cao cơ sở;

độ cao tính toán của các dạng địa hình ứng với k = 1 được gọi là độ

cao cơ sở (VD: ở bảng III-1 thì độ cao cơ sở đối với địa hình A là 3m

và địa hình B là 10m)

Bảng III-2: Giá trị hệ số điều chỉnh k theo độ cao và dạng địa hình

Dạng địa hình

* Ghi chú: Giá trị hệ số điều chỉnh k ở bảng trên được nội suy tuyến tính phù hợp với độ cao quy đổi Hqđ và dạng địa hình tính toán

+ H qđ [m]: Độ cao quy đổi của dây dẫn/ dây chống sét tính toán thiết kế theo Điều II.5.21 Quy phạm trang bị điện:

Hqđ = Htb -

3

2

f Trong đó:

Htb [m]: Là độ cao trung bình mắc dây dẫn/ dây chống sét vào cách điện/ phụ kiện

f [m]: Là độ võng dây dẫn/ dây chống sét, quy ước lấy giá trị lớn nhất (khi nhiệt độ cao nhất)

Ghi chú: Đối với khoảng néo có nhiều khoảng cột và khoảng vượt lớn

thì Hqđ được xác định theo Điều II.5.22 của Quy phạm trang bị điện:

Hqđ = ∑n

1

Hqđi*Li / ∑n

1

Li

Với: Li và n: là chiều dài khoảng cột thứ i và số khoảng cột trong cùng 01 khoảng néo

Điều II.5.22 - Quy phạm trang bị điện: Áp lực gió tác động vào dây dẫn

hoặc dây chống sét trong khoảng vượt lớn phải xác định theo Điều II.5.20, đồng thời phải tuân theo các quy định bổ sung sau:

• Đối với khoảng vượt chỉ có một khoảng cột, độ cao trọng tâm quy đổi của dây dẫn hoặc dây chống sét được tính theo công thức:

f h h

h qd

3

2 2

2

1+ −

=

Trong đó:

h 1 và h 2 : Độ cao điểm mắc dây vào cột vượt tính từ mặt nước bình thường của sông, ngòi vịnh v.v [m]

f : Độ võng lớn nhất của dây dẫn, [m]

• Đối với khoảng vượt bao gồm nhiều khoảng cột, độ cao trọng tâm quy đổi của dây dẫn hoặc dây chống sét phải tính chung cho cả khoảng vượt (giới hạn bằng 2 cột néo hãm), theo công thức:

n

n qdn qd

qd qd

l l

l

l h l

h l h h

+ + +

+ + +

=

2 1

2 2 1 1

Trong đó h qd1 ,h qd2 h qdn là độ cao trọng tâm quy đổi của các khoảng cột l 1 ,l 2 … ln cấu thành khoảng vượt đó Nếu trong khoảng vượt lớn có một số khoảng cột kề qua các khu vực không có nước thì hđ được tính từ mặt đất.

VD: Theo bảng thống kê “Phân vùng áp lực gió của QCVN 02-2009”, khi xây dựng công trình trên địa bàn huyện Hàm Tân, tỉnh Bình Thuận thì có vùng gió tính toán là II.A Tra bảng III-1 ta có Q0 = 83daN/m2 Nếu chọn dạng địa hình B và có độ cao Hqđ = 40m để tính toán thì QH = 83*1,28 = 106,24daN/m2

Áp lực gió tính toán:

Áp lực gió theo giá trị tính toán (gọi tắt là áp lực gió tính toán) ở độ cao

Hqđ dùng để tính toán tải trọng tác dụng lên cột được xác đinh theo công thức sau:

QHtt = QH.γ.n = Q0.k.γ.n Trong đó:

+ QHtt [daN/m2]: Áp lực gió tính toán ở độ cao Hqđ dùng để tính toán tải trọng tác dụng lên cột

+ QH [daN/m2]: Áp lực gió tiêu chuẩn ở độ cao Hqđ dùng để tính toán tải trọng tác dụng lên cột

+ Q0 [daN/m2]: Áp lực gió tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 ở độ cao cơ sở được quy định theo vùng gió

+ k: Hệ số điều chỉnh theo độ cao Hqđ và dạng địa hình theo TCVN 2737-1995

+ γ = 1,2: Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió theo TCVN 2737-1995 + n: Hệ số điều chỉnh tải trọng gió tương ứng với thời gian giả định của công trình theo TCVN 2737-1995 như bảng sau:

Thời gian giả định của công

Hệ số điều chỉnh tải trọng gió 0,61 0,72 0,83 0,91 0,96 1 Mặt khác, theo Quy phạm trang bị điện (Điều II.5.20) thì đối với các ĐDK, lấy thời gian sử dụng giả định của công trình là 15 năm đối với ĐDK 35kV trở xuống, 20 năm đối với ĐDK 110kV, 30 năm đối với ĐDK 220kV, 40 năm đối với ĐDK 500kV và khoảng vượt lớn Khi

đó, xác định được giá trị của “n” như sau:

+ Đối với ĐDK 35kV trở xuống: n = 0,78

+ Đối với ĐDK 110kV: n = 0,83

+ Đối với ĐDK 220kV: n = 0,91

+ Đối với ĐDK 500kV: n = 0,96

VD: Theo bảng thống kê “Phân vùng áp lực gió của QCVN 02-2009”, khi xây dựng công trình trên địa bàn huyện Hàm Tân, tỉnh Bình Thuận thì có vùng gió tính toán là II.A Tra bảng III-1 ta có Q0 = 83daN/m2 Nếu chọn dạng địa hình B và có độ cao Hqđ = 40m để tính toán thì QHtt = 83*1,28*1,2*0,96 = 122,39daN/m2

Tải trọng gió tiêu chuẩn/ tính toán

Tải trọng gió tác động vào 1m dây dẫn/ dây chống sét, ký hiệu là P 2dây

[daN/m] và được xác định bằng công thức (xem Điều II.5.25 của Quy phạm trang bị điện) như sau:

P2dây = a.Cx.K1.Q.F.sin2ϕ (1) Trong đó:

+ P2dây [daN/m]: Tải trọng gió tác động vào 1m dây dẫn/ dây chống sét theo phương nằm ngang vuông góc với dây và được xác định như sau:

o Đối với giá trị tiêu chuẩn thì thay Q = QH vào công thức (1) như sau: P2dây = a.Cx.K1.QH.F.sin2ϕ

o Đối với giá trị tính toán thì thay Q = QHtt vào công thức (1) như sau: P2dây(tt) = a.Cx.K1.QHtt.F.sin2ϕ

+ a: Hệ số tính đến sự không bằng nhau của áp lực gió trong khoảng cột

và có giá trị như sau:

a = 1 khi áp lực gió bằng 27daN/m2

a = 0,85 khi áp lực gió bằng 40daN/m2

a = 0,75 khi áp lực gió bằng 55daN/m2

a = 0,70 khi áp lực gió bằng 76daN/m2 và lớn hơn

Các giá trị trung gian lấy theo phương pháp nội suy

+ Cx : Hệ số khí động học lấy bằng 1,1 khi đường kính của dây dẫn/ dây chống sét từ 20mm trở lên và 1,2 khi đường kính của chúng nhỏ hơn 20mm

+ Kl: Hệ số quy đổi tính đến ảnh hưởng của chiều dài khoảng vượt vào tải trọng gió, bằng 1,2 khi khoảng cột tới 50m; bằng 1,1 khi 100m; bằng 1,05 khi 150m; bằng 1 khi 250m và lớn hơn (các trị số Kl đối với các khoảng vượt có chiều dài nằm giữa các trị số trên thì lấy theo phương pháp nội suy)

+ Q [daN/m2]: Áp lực gió ở độ cao Hqđ được xác định như sau:

o Đối với giá trị tiêu chuẩn thì lấy Q = QH

o Đối với giá trị tính toán thì lấy Q = QHtt

+ F [m2]: Tiết diện cản (đón) gió của dây dẫn/ dây chống sét

+ ϕ [độ]: Góc hợp thành giữa hướng gió thổi và trục của tuyến đường dây

Theo Quy phạm, khi tính tải trọng gió tác động vào dây dẫn/ dây chống sét phải lấy hướng gió 90o và 45o với tuyến đường dây Thay vào công thức (1) ta có:

• Khi ϕ =90o thì P2dây(90) = a.Cx.K1.Q.F

• Khi ϕ =45o thì P2dây(45) = a.Cx.K1.Q.F.0,5 = 0,5.P2dây(90)

Tỉ tải do gió

Chế độ tải trọng ngoài lớn nhất (Qmax):

+ Giá trị tiêu chuẩn (khi Q = QH): g2 = P2dây/F (daN/m.mm2) + Giá trị tính toán (khi Q = QHtt): g2 = P2dây(tt)/F (daN/m.mm2)

Chế độ quá điện áp khí quyển (Qq)

+ Giá trị tiêu chuẩn (Q tiêu chuẩn): g2 q = P2q/F (daN/m.mm2) + Giá trị tính toán (Q tính toán): g2 q = P2q(tt)/F (daN/m.mm2)

IV Các chế độ tính toán:

Căn cứ vào điều kiện khí hậu của khu vực, các tiêu chuẩn Việt Nam "Tải trọng và tác động, tiêu chuẩn TCVN 2737-95”, "Quy phạm Trang bị điện, tiêu chuẩn 11TCN-19-2006" và “Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về số liệu tự nhiên sử dụng trong xây dựng QCVN-02:2009/BXD” Thông số tính toán các chế độ được thể hiện trong bảng sau:

Stt Chê độ tính toán

Nhiệt

độ ( 0 C )

Áp lực gió (daN/m 2 )

Ứng suất (daN/mm 2 )

Tỉ tải dây (daN/m.mm 2 ) Trọng

lượng Gió Tổng hợp (gT)

1 Khi nhiệt độ không

khí thấp nhất

2 Khi nhiệt độ không

khí trung bình năm

3 Khi tải trọng ngoài

2

2

4 Khi quá điện áp

5 Khi nhiệt độ không

khí lớn nhất

Lưu ý:

+ Các giá trị ứng suất tính toán trong các chế độ (1 và 3) ở bảng trên phải ≤ σmax

+ Giá trị ứng suất tính toán trong chế độ (2) ở bảng trên phải ≤ σtb

V Phương trình trạng thái:

Trong lý thuyết tính toán cơ lý đường dây bắt đầu từ bài toán giải phương trình trạng thái của khoảng cột (và khoảng néo nói chung) Phương trình có dạng rút gọn như sau:

) (

.

24

.

24

.

.

0 2

0

2 2 0 0 2

2 2

t t E L

E g L

E

−

−

−

=

σ

σ σ

Trong đó:

+ σ0 , g 0 , t 0 : là ứng suất, tỉ tải và nhiệt độ ở trạng thái cơ sở (xuất phát) + σ , g , t : là ứng suất, tỉ tải và nhiệt độ ở trạng thái tính toán theo

+ E , α : là mô đun đàn hồi và hệ số giản nở nhiệt của dây

+ L đb : là khoảng cột đại biểu trong 01 khoảng néo (đây là khoảng cột

dùng để tính toán cơ lý trong khoảng néo).

∑

∑

i i

n

i i

L L

1

1 3

cos

cos

θ θ

Với: L i : là chiều dài khoảng cột thứ i trong cùng 01 khoảng néo,

θi : là góc lệch giữa đường thẳng nối 2 cột kề nhau và đường thẳng nằm ngang

n : là số khoảng cột trong cùng 01 khoảng néo.

 Đối với địa hình bằng phẳng (θi = 0 độ), ta có:

∑

∑

i

n i đb

L

L L

1

1 3

VI Khoảng cột tới hạn:

Trong tính toán cơ lý dây, để xác định trạng thái cơ sở (xuất phát) để tính các

trạng thái còn lại người ta đưa ra khái niệm về các khoảng cột tới hạn L 1K ,

L 2K , L 3K ; Trong đó:

+ L 2K : là khoảng cột tới hạn giữa trạng thái (chế độ) t o

min và Q max

2 1

2 3

min max

2

) (

24

g g

t t

−

= σ α

t B và t min : là nhiệt độ tính toán ở chế độ Qmax và chế độ t o

min

g 3 và g 1 : là tỉ tải tổng hợp ở chế độ Qmax và chế độ t o

min

σmax (= σcp = σB ) : là ứng suất tính toán lớn ở chế độ Q max

* Khi chọn chế độ chế độ t o

min làm chế độ cơ sở thay vào “phương trình trạng thái” và thay đổi cho chiều dài khoảng cột L=1→∞ thu được đường cong ứng suất xuất σmin ; và khi chọn chế độ chế độ Q max làm chế

độ cơ sở thay vào “phương trình trạng thái” và thay đổi cho chiều dài

khoảng cột L=1→∞ thu được đường cong ứng suất xuất σmax (trong đồ thị phía dưới)

* Để đảm bảo điều kiện ứng suất trong dây không vượt quá ứng suất lớn nhất cho phép thì phải lựa chọn lại giá trị ứng suất tính toán trong các chế độ Q max và t o

min phù hợp với khoảng cột tới hạn L 2K

+ L 1K : là khoảng cột tới hạn giữa trạng thái (chế độ) nhiệt độ t o

tb và t o

min

























−









− +

−

1 2

max 1

max min

1

24

) (

) (

tb

tb tb

K

g g

E

t t

E L

σ σ

σ σ

α

t min và t tb : là nhiệt độ nhỏ nhất và nhiệt độ trong bình tính toán.

σmax và σtb : là ứng suất tính toán lớn nhất và ứng suất trung bình.

Lđb < L2K Lđb > L2K

+ L 3K : là khoảng cột tới hạn giữa trạng thái (chế độ) Q max và t o

tb

























−









− +

−

1 2

max 3

max 3

24

) (

) (

tb

tb tb

B K

g g

E

t t E L

σ σ

σ σ

α

t B và t tb : là nhiệt độ tính toán ở chế độ Qmax và chế độ t o

tb

g 3 và g 1 : là tỉ tải tổng hợp ở chế độ Qmax và chế độ t o

tb

σmax (= σcp = σB ) : là ứng suất tính toán lớn ở chế độ Q max

VII Quan hệ giữa L đb , L 1K , L 2K , L 3K

Từ đồ thị “a) L 1K <L 2K <L 3K ” ta thấy:

+ Khi L đb < L 1K : chế độ tính toán là chế độ t o

min (nhiệt độ thấp nhất)

+ Khi L 1K < L đb < L 3K : chế độ tính toán là chế độ t o

tb (nhiệt độ TB) + Khi L đb > L 3K : chế độ tính toán là chế độ Q max (bão)

Từ đồ thị “b) L 1K >L 2K >L 3K ” ta thấy:

+ Khi L đb > L 2K : chế độ tính toán là chế độ Q max (bão)

+ Khi L đb < L 2K : chế độ tính toán là chế độ t o

min (nhiệt độ thấp nhất)

D C

σtb2

σtb1

σtmin

σB= σmax

σtmin= σmax

L1K L2K L3K

σmax

σtb

σB

σ

a) L 1K <L 2K <L 3K

C D

σtb2

σtb1

σtmin

σB= σmax

σtmin= σmax

L3K L2K L1K

σmax

σtb

σB

σ

b) L 1K >L 2K >L 3K

Từ đồ thị “c) L 2K <L 3K ; L 1K =0” ta thấy:

+ Khi L đb < L 3K : chế độ tính toán là chế t o

tb (nhiệt độ TB) + Khi L đb > L 3K : chế độ tính toán là chế độ Q max (bão)

Từ đồ thị “d) L 1K <L 2K ; L 3K =0” ta thấy:

+ Khi L đb < L 1K : chế độ tính toán là chế độ t o

min (nhiệt độ thấp nhất) + Khi L đb > L 1K : chế độ tính toán là chế độ t o

tb (nhiệt độ TB)

Bảng tổng hợp quan thông số tính toán trong các trạng thái (chế độ)

Trường hợp Quan hệ giữa

L đb , L 1K , L 2K , L 3K

Trạng thái

cơ sở

Thông số của trạng thái cơ sở

a) L 1K <L 2K <L 3K

L đb <L 1K t o

min σ 0 = σ max ; t 0 =t min ; g 0 =g 1

L 1K <L đb <L 3K t o

tb σ 0 = σ tb ; t 0 =t tb ; g 0 =g 1

L đb >L 3K Q max σ 0 = σ max ; t 0 =t B ; g 0 =g 3

b) L 1K >L 2K >L 3K

L đb <L 2K t o

min σ 0 = σ max ; t 0 =t min ; g 0 =g 1

L đb >L 2K Q max σ 0 = σ max ; t 0 =t B ; g 0 =g 3

c) L 1K =0; L 2K <L 3K

L đb <L 3K t o

tb σ 0 = σ tb ; t 0 =t tb ; g 0 =g 1

L đb >L 3K Q max σ 0 = σ max ; t 0 =t B ; g 0 =g 3

d) L 3K =0; L 1K <L 2K

L đb <L 1K t o

min σ 0 = σ max ; t 0 =t min ; g 0 =g 1

L đb >L 1K t o

tb σ 0 = σ tb ; t 0 =t tb ; g 0 =g 1

D

σtb2

σtb1

σtmin

σB= σmax

σtmin= σmax

L2K L3K

σmax

σtb

σB

σ

c) L 2K <L 3K ; L 1K =0

σtb1

σtmin

σB= σmax

σtmin= σmax

L1K L2K

σmax

σtb

σB

σ

d) L 1K <L 2K ; L 3K =0