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
Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Chơng Tính dây dẫn dây chống sét Lúc vận hành bình thờng 1.1.Khái niệm chung Tính toán phần khí đờng dây không nội dung trọng yếu toàn môn học mạng điện hệ thống điện Nh ta rõ đờng dây không thành phần chủ yếu mạng điện Đại phận đờng dây cao áp 3kV đờng dây không Để xây dựng đờng dây không đờng dây cao áp từ 35kV trở lên cán kỹ thuật phải nắm vững phần khí đờng d©y gåm d©y dÉn, d©y chèng sÐt, cét, mãng Việc tính toán lúc thiết kế vấn đề thi công tốt hay không tốt ảnh hởng trực tiếp tới điều kiện vận hành sau mạng điện mặt bảo đảm liên tục cung cấp điện, an toàn cho ngời ngành công nghiệp khác nh giao thông vận tải, bu điện, quốc phòng Hiện nớc ta xây dựng đợc hệ thống đờng dây 35kV, 110kV, 220 kV, 500 kV tơng đối lớn Tính toàn phần khí đờng dây vấn đề khó khăn nớc ta, đòi hỏi học tập nghiên cứu cách sáng tạo thiết kế nh thi công thực tế trờng Đẳng cấp đờng dây Đờng dây không chia làm đẳng cấp tuỳ theo tính chất quan trọng phụ tải cấp điện áp (Bảng 1-1) Bảng 1-1 Đẳng cấp đờng dây Điện áp định mức đờng dây Loại hộ dùng điện Trên 35kv Bất loại 35kv Loại loại (các xí nghiệp công nghiệp Mỏ quan trọng vv ) 35kv Phụ tải loại 3( nông thôn xởng thủ công v.v ) Trên 1-20 kv Bất loại Đẳng cấp1 Đẳng cấp Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Đẳng cấp 1kv dới 1kv Bất loại Đối với đờng dây điện áp cao, công suất truyền tải lớn vấn đề an toàn phải bảo đảm Đặc biệt ®èi víi vÊn ®Ị rÊt quan träng, chđ u ®Ĩ đảm bảo liên tục cung cấp điện tính mệnh ngời Vấn đề an toàn dây dẫn dây chống sét đợc biệu thị hệ số an toàn theo công thức: n gh Trong đó: gh cờng độ sức bền giới hạn sợi dây vặn xoắn dùng làm dây dẫn dây chống sét, đơn vị kg/ mm2, [ơ] ứng suất cho phép nguyên liệu cấu tạo dây dẫn hay dây chống sét đơn vị kg/mm2 Nếu dây vặn xoắn lấy gh [] sợi Hệ số an toàn đợc lấy nh sau: a) Nơi dân c: Dây nhiều sợi (vặn xoắn) thì: Dây sợi n=2 n = 2,5 b) Nơi có dân c khoảng vợt quan trọng Dây nhôm nhiều sợi tiết diện tới 120 mm2 n = 2,5 Dây đồng nhiều sợi tiết diện tới 70 mm2 n = 2,5 Dây thép cáp thép tiết diện tới 25 mm2 n = 2,5 Các dây nhng với tiết diện lớn n = Các dây AC với tiết diện n=2 Hệ số an toàn dây AC ghi áp dụng cho phần nhôm dây điện Đối với dây nhôm lõi thép cho phép nâng cao ứng suất lên 20% so với trị số tìm đợc theo hệ số an toàn định mức điều đợc xác nhận tính toán kinh tÕ kü tht HƯ sè an toµn b»ng nghĩa tơng ứng với sức kéo bình thờng, n cao ứng với sức căng giảm nhẹ, nghĩa lúc căng dây ta kéo căng vừa Để đảm bảo cờng độ sức bền cần thiết, đảm bảo an toàn, dây không đợc bé tiết diện F quy định cho loại dây bảng 2 Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Bảng 1.2 Các dây điện Cấu tạo Một sợi Nguyên liệu Các tiết diện tối thiểu (mm2) Nơi dân c Nơi có dân c khoảng vợt quan trọng Cấp Cấp Cấp M-6 Không Không Không đợc đợc đợc dùng dùng dùng Cấp Đồng thép Không Không đợc đợc Nhôm hợp dùng kim nhôm dùng Đồng thép s¾t 25 10 10 25 CÊp CÊp 16 16 NhiỊ Nh«m lâi thÐp 25 16 16 25 25 u sợi Nhôm hợp 35 25 16 35 35 kim nhôm Ghi chú: a Theo quy phạm quy định nơi có dân c là: 25 25 Những địa hạt thành phố, xóm, làng xí nghiệp công nghiệp, bến sông cảng, nhà ga xe lửa, công viên công cộng, đờng phố có phạm vi phát triển tơng lai b Những nơi dân c là: Những vùng nhà cửa thờng hay có ngời lui tới xe cộ máy móc nông nghiệp lại đợc, vờn vờn trồng rau, nơi có nhà cửa tha thớt công trình tạm thời c Các nơi vợt quan trọng khoảng đờng dây điện chéo nhau, song song sát gần mắc chung nhiều lộ cột khoảng vợt sát đờng thông tin khoảng vợt đờng xe lửa đờng ô tô cấp 2, vợt sông, kênh, hồ, cầu đê đập Ngoài để tránh tác hại ăn mòn dây điện theo quy phạm, xây dựng đờng dây không gần bờ biển hồ nớc mặn xí nghiệp hoá chất vv Những nơi mà kinh nghiệm vận hành lâu năm xác định nhôm bị tác hại ăn mòn cần phải dùng dây điện đồng Trong trờng hợp số liệu cụ thể kinh nghiệm vận hành lấy chiều ngang dải gần bờ biển cần thiết cho yêu cầu đề km dải cách xí nghiệp hoá chất Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng 1,5km nơi dùng dây điện nhôm dây AC chế tạo đặc biệt chống ăn mòn Điều kiện khí hậu tính toán Bảng 1.3 Các điều kiện tính toán Các vïng khÝ hËu I II III IV 35 40 A Lúc nhiệt độ không khí thấp - Nhiệt độ 0C - Tèc ®é giã 0m/s B Lóc nhiƯt ®é kh«ng khÝ cao nhÊt - NhiƯt ®é 400C - Tèc ®é giã 0m/s C Lóc giã lín nhÊt - Tèc ®é giã 25 30 - NhiƯt ®é 250C Theo quy phạm, việc tính toán chọn kết cấu đờng dây không, phải tiến hành sở số liệu điều kiện khí hậu cho sau kết quan sát đầy đủ thời gian lâu dài tốc độ gió nhiệt độ.v.v Các dây điện nh kết cấu khác đờng dây không cần đợc tính toán với điều kiện khí hậu bất lợi xuất chu kỳ 10 năm (đối với đờng dây đẳng cấp 1) năm (đối với đờng dây đẳng cấp 3) trị số lấy chẵn tới số Các điều kiện khí hậu tính toán Việt nam đợc thống kê theo bảng 1.3 Việt nam tạm thời chia làm khu vực dựa sở tốc độ gió khác Chú thích: 1) Các vùng có tốc độ gió lớn 45m/s gọi vùng đặc biệt Nhiệt độ tơng ứng với lúc tốc độ gió lớn (trời bão) áp dụng chung 250C Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng 2) Hiện việc quy định vùng đồ, quy định tỉnh vùng cha đợc công bố thức Tạm thời ta phải vào tài liệu khí tợng để định nơi định thiết kế đờng dây thuộc vùng Qua thiết kế số đờng dây miền Bắc Việt nam áp dụng 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, Bắc Ninh, Bắc Giang Vùng IV: (40m/s: Nam Định - Thái Bình Còn nơi khác thiếu thốn tài kiệu cụ thể nên cha quy định đợc 3) Các trị số tốc độ gió ghi bảng 1.3 ¸p dơng cho chiỊu cao kĨ tõ 1-3cm c¸ch mỈt đất nơi tuyến đờng dây thành phố mà chiều cao trung bình nhà cửa không thấp 2.3 chiều cao cột tốc độ gió tính đợc giảm 20% Còn chiều cao 50m cách mặt đất tốc độ gió phải đợc nhân lên với hệ số: 1,15 øng víi ®é cao 30-50m 1,25 øng víi ®é cao 50-70m 1,40 øng víi ®é cao 0-100m 1,5 øng víi độ cao 100m Còn khoảng vợt lớn mà chiều cao mắc dây từ 35m trở lên cần tính toán tốc độ gió thích ứng với chiều cao trung bình dây điện khoảng cột Đ 1.2 Phụ tải giới dây dẫn dây chống sét Dây dân dây chống sét treo cột, nên chịu tác dụng thân sức nặng nó, sau phải kể tới tác dụng loại phụ tải khác nh gió, băng đóng, Gió to phụ tải giới to, rét nhiều dây co lại, sức căng dây tăng lên Vậy phụ tải cuả dây dẫn dây chống sét thay đổi độ Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng vững sức căng thay đổi Thông thờng phụ tải giới không phân bố thực đặn dọc theo dây, nhng tình trạng không thực tế không lớn, cách tính đợc đúng, việc tính toán lực căng dây dựa giả thiết phụ tải giới phân bố đặn dọc theo dây dẫn dây chống sét Dạng thuận tiện để biểu diễn tải trọng tính toán tỷ tải Tỷ tải g phụ tải giới tác dụng lên đơn vị chiều dài dây (1m) có tiết diện 1đơn vị (mm 2) tính kg/m.mm2 1.Tỷ tải trọng lợng thân dây dẫn g Tỷ tải dây phụ thuộc vào nguyên liệu kết cấu dây Đối với loại dây đơn (1 sợi), tỉ tải g trọng lợng tính kg 1m dây có tiết diện 1mm Tỷ tải dây vặn xoắn bị vặn xoắn số sợi dây nên lớn từ 2-3 % trị số tỷ tải dây đơn tiết diện Tỷ tải trọng lợng dây dẫn bằng: G kg/m.mm F Trong đó: G trọng lợng 1m dây dẫn (kg) g1 = F: tiết diện thực tế dây dẫn (mm2) Chú ý tính toán phần khí dây dẫn dây chống sét dựa vào tiết diện thực tế nó, tính toán phần điện lại đa vào tiết diện định mức 2.Tỷ tải gió g2 tác dụng lên dây dẫn Sức ép gió tác dụng lên dây dẫn cột định động không khí chuyển động Gọi động gió lµ: q = mv BiÕt r»ng 1m không khí điều kiện áp suất thông thờng at nặng 1,3 kg Vậy: q = mv 16 Sức ép P gió tác dụng lên dây tên cột tính công thức sau: Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng P = a.k.q.S kg Trong đó: a hệ số không gió k hệ số động lực không khí S bề mặt cản gió, đơn vị m Nếu gió thổi chếch phải nhận thêm với sin ( góc hợp tuyến dây chiều gió) Hệ số phân bố không a gió dọc theo khoảng vợt phụ thuộc tốc ®é v cđa giã Khi v 20 m/sec th× a = v 25 m/sec th× a = 0,85 v 30 m/sec th× a = 0,75 v 30 m/sec a = 0,7 Hệ số động lực không khí phụ thuộc vào hình dáng bề mặt mà gió tác dụng vào, phụ thuộc vào đờng kính dây dẫn k dây: Dây có ®êng kÝnh d > 20cm th× k = 1,1 d < 20cm k = 1,2 k cột: Với cột hình trụ có đờng kính lớn 15cm k = 0,7 Với cột có mặt phẳng k = 1,5 Sức ép gió tác động lên 1m dây là: p = a.k.d.v kg/m 1000 16 Vậy tỷ tải gió dây dẫn là: g2(v) = a.k.d.v kg/m mm2 16.F.1000 Chữ v ký hiƯu tû t¶i g2(v) chØ râ tû t¶i gió tốc độ gió v m/sec 3.Tỷ tải tổng hợp tác dụng lên dây dẫn Tải trọng tổng hợp toàn dây dẫn gồm thành phần: Thành phần thẳng đứng (trọng lợng thân dây dẫn) Thành phần nằm ngang (sức ép gió) Vậy tỷ träng tỉng hỵp g2(v) b»ng: g3 (v) = g12 g22(v) kg/m.mm2 Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Đ 1.3 Sức căng độ võng dây dẫn Xác định độ võng chiều dài dây dẫn khoảng vợt: Giả thiết phụ tải giới phân bố đặn dây với tỷ tải g dây đợc treo tự điểm A B có độ cao dây dẫn võng xuống thành đờng cong có dạng dây xích có phơng biểu diễn là: y = h0ch x L1 = h0 sh h0 x h0 Trong ®ã h0 khoảng cách điểm thấp C dây với trục hoành Ox, L1 chiều dài dây nửa khoảng vợt Giả thiết điểm treo B ma sát (ròng rọc lý tởng) trọng lợng đoạn dây Be vừa sức căng dây xích điểm B gọi TB: TB = g.y2 F (kg) Với công thức ta tìm đợc sức căng dây đểm dây với điều kiện thay y trị số y tơng ứng với điểm Nh sức căng điểm thấp bằng: To = g h0 F (kg) Vậy sức căng dọc theo dây dẫn điểm treo dây B lớn sức căng ®iĨm thÊp nhÊt mét lỵng TB - T0 = g.yzF – g.y0F = GF(yz - h0) = gFf (kg) y l A B f C y0 h o O e x Gọi B (kg/mm2) ứng suất dây điểm B, ứng suất dây điểm C, ta cã: TB = B F vµ TC = F (kg) Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Từ rút ra: (B - )F = g F f (kg) B = + g.f Vậy: Từ công thức ta thấy biết đợc ứng suất điểm thấp biết độ võng tơng ứng ta tính đợc ứng suất điểm Sức căng tác dụng điểm dây dẫn hớng theo phơng tiếp tuyến điểm đờng cong treo dây dẫn Tại tiếp điểm thấp dây dẫn, sức căng T theo hớng nằm ngang ta ®· cã: T0 = g.h0F, vËy th«ng sè h0 = 0 F 0 g.F g Khai triĨn ph¬ng trình đờng dây xích: x2 x4 Thay h0 = vào ta đợc: y = h0ch = h0 + g 2! h0 4! h0 ho x 2 g g y o x x g 2! 0 4! 0 thay x = l ta tính đợc y2: g 0 g y2 = + 4!16 30 (1-1) g 2!4 0 Mặt khác theo hình vẽ ta có: y2 = f + h = 0 f (1-2) g Vế trái phơng trình (1.1) (1.2) nªn cã: g g l l f= 0 24x16 Tính gần đúng, ta có công thức tính độ võng dây dẫn khoảng vợt là: Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng f= l g 8. Ta tiếp tục khai triển phơng trình: x3 x5 L1 = h0 sh =x+ + 3! h20 5! h40 h0 x Gọi L chiều dài dây khoảng vợt AB ta cã: L = 2L1 = 2.( x + Thay x = x3 x5 + ) 3! h20 5! h40 0 l vµ h0 = vào biểu thức ta có: g l3 g l ) L = 2.( + 8x 02 Viết gần có: L=l+ l3 g 2420 Công thức biểu diễn đơn giản hơn: L = l + 8f 3l Hai công thức tính f L đợc coi nh công thức phép tính toán giới đờng dây không, hai công thức có dạng phơng trình parabol Tóm lại với với phép tính gần đúng, biến công thức có dạng đờng dây xích phơng trình parabol phơng trình dây xích công thức có dạng parabol y l/2 A f b C T0 P O x Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng nh trờng hợp mặt đất không phẳng có chỗ cao chỗ thấp nên khoảng cách gần mặt đất với dây dẫn không thiết phải khoảng cách điểm thấp khoảng vợt dây với mặt đất mà điểm cao mặt đất với dây dẫn nh hình 1-4 Với hình vẽ khoảng cách gần H A l x O D f B y H h h o y Hình 1.4 Khoảng cách bé từ mặt đất đến dây dẫn trờng hợp mặt đất không phẳng Với trục toạ độ By Bx khoảng vợt dài l, ta sử dụng phơng trình parabol tính ra: y= l 2g Thay l = 8.0 4.f x x (1 ) l l ta cã: vËy : y= y = 4l g.x (l x) 8. 0l x(l x)g 2o Sau tÝnh ®ùoc y biết đợc chiều cao h điểm cao mặt đất, ta tính đợc trị số H, khoảng cách an toàn Phơng trình áp dụng để tính độ cao dây dẫn nơi cần thiết nh khoảng vợt chạy qua đờng ô tô, đờng sắt, bắt chéo với đòng dây thông tin 1-4 ứng suất độ võng dây dẫn điều kiện khí hậu khác Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Với nhiệt độ khác phụ giới khác (gió, băng) ứng suất độ võng dây dẫn khoảng vợt thay đổi khác Giả thiết nhiệt độ m dây dẫn có tỷ tải gm ứng suất m độ dài dây dẫn khoảng vợt là: Lm = l - l gm 24. 2m H·y t×m øng suất dây dẫn điều kiện khí hậu mới: Nhiệt độ n tỷ tải gn trạng thái này, chiều dài dẫn khoảng vỵt sÏ b»ng: l gn Ln = l + 24n Gäi α lµ hƯ sè d·n në theo nhiệt độ nguyên liệu cấu tạo dây dẫn Gọi E mô đuyn đàn hồi dây dẫn = hệ số kéo dài đàn hồi E Chiều dài dây dẫn Ln biểu thị qua Lm: Ln = Lm [1 + (n - m)] [1 + (n -m)] = Lm [1 + (n - m) + (n -m) + (n m) (n -m)] V× hệ số nhỏ nên coi nh không, phơng trình viết đơn giản nh sau: gm l [1 (n m) .(n m] L0 = l 242m l gm = l + 24 m 3 gm l l (n m) (n m) 24 m l gm [( ) (n m] cã thĨ viÕt gÇn Ta nhËn thÊy l 242m n m ®óng b»ng: l (n m) (n m) v× khác độ dài Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng dây dẫn khoảng vợt độ dài khoảng vợt tơng đối nhỏ Vậy phơng trình còn: l gm Ln = l + 24 m 3 l l gm (n m) (n m) 242m gm l gn l l = l + l (n m) (n m) 2 24 m 24 n Chia c¶ vÕ cho l ta cã: 2 l gn l2.gm ( ) ( n m n m) 24 n 242m 2 2 l gn l gm ( ) n m n m 2 24m 24 n (1.5) Ph¬ng trình gọi phơng trình trạng thái dây dẫn Đó phơng trình quan trọng việc tính toán dây dẫn Với phơng trình biết ứng suất m, tỷ tải gm nhiệt độ m ta tính đợc ứng suất n điều kiện với tỷ tải gn nhiệt độ n Khi biết ứng suất n tỷ tải gn dễ dàng tính đợc ®é cđa d©y ®iỊu kiƯn khÝ hËu míi l gn fn = 8.n Phơng trình trạng thái phơng trình bậc n Cách giải đơn giản phơng trình tiến hành phơng pháp lựa chọn (mò), muốn ta phải đa dạng: n - B n =A A B hệ số có đợc cách thay tất trị số biết vào phơng trình (1-5) Đ1.5 Khoảng vợt tới hạn ứng suất dây dẫn thay đổi tuỳ theo điều kiện khí hậu điều kiện phụ tải giới tác dụng lên Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Ta phải biết khoảng vợt định, lúc ứng suất dây dẫn lớn (tức dễ đứt) ứng suất lớn phát sinh khi: -Nhiệt độ thấp lúc dây dẫn có độ dài ngắn khoảng vợt định -Phụ tải giới tác dụng lên dây dẫn lớn (lúc gió to ) Vậy vấn đề đặt với khoảng vợt định trờng hợp ứng suất lớn dây dẫn xuất hiện, có nắm vững đợc điều tiến hành tính toán đuợc Ta phân tích ảnh hởng nhiệt độ tải trọng dây dẫn theo chiều dài khoảng vợt Muốn ta dùng phơng trình trạng thái dây dẫn: 2 2 l gn l gm ( ) n n m m 24.2m 24 n Khi khoảng vợt l tiến đến không phơng trình ®ã cã d¹ng: n = m - (n m) Từ phơng trình ta thấy ứng suất dây dẫn có quan hệ với nhiệt độ mà Vậy tạm thời ta kết luận: Với khoảng vợt nhỏ ứng suất dây dẫn lớn nhiệt độ không khí xung quanh thấp Chia vế phơng trình trạng thái cho l2: 2 nn g n nn g m ( ) m 2 n 2 24 n l 24 m l l Khi khoảng vợt l tiÕn tíi v« cïng ta cã: 2 gn 24 n gm 24m Từ phơng trình ta thÊy øng st cđa d©y dÉn chØ cã quan hệ với phụ tải giới mà Vậy tạm thêi ta còng cã thĨ kÕt ln: Gi¸o trình Cơ khí đờng dây Chơng Với khoảng vợt lớn, ứng suất dây dẫn lớn phụ tải giới lớn Nh ta phải tìm khoảng vợt tới hạn khoảng vợt mà ứng suất lớn dây dẫn xuất trờng hợp nhiệt độ thấp phụ tải giới Dới ta xác định khoảng vợt tới hạn đó: Gọi lth khoảng vợt tới hạn g0 = g1 tỷ tải dây dẫn lúc nhiệt độ thấp gm= gbão tỷ tải dây dẫn lúc phụ tải giới lớn n = nhiệt độ thấp không khí m = bão nhiệt độ lúc phụ tải giới lớn xuất Với khoảng vợt tới hạn n m phơng trình (1.5) phải ứng suất cho phép [] vật liệu dây dẫn Sau thay trị số vào phơng tình 1.5 ta có: 2 2 lthg1 [] lthgbao ( [] min bao) 24 24 Gi¶i theo lth cã: lth = 24(bao min) 2 gbao g1 (1.6) Tõ (1.6) thấy rằng: Khoảng vợt tới hạn phụ thuộc vào đặc tính vật lý nguyên liệu dân dẫn (, []), điều kiện tợng (g1, min, gbão, bão) Tiết diện dây dẫn có ảnh hởng gián tiếp đến lth tiết diện thay đổi sức ép gió lên dây dẫn thay đổi Sau tính đợc khoảng vợt tới hạn lth, ta dễ dàng suy ra: -Khi khoảng vợt l lớn lth ứng st lín nhÊt cđa d©y dÉn sÏ xt hiƯn lóc phụ tải giới lớn -Khi khoảng vợt l bé lth ứng suất lớn dây dẫn xuất lúc nhiệt độ thấp Đ1.6 Độ võng ứng suất dây nhôm lõi thép Ta xét dây phức hợp chủ yếu dây nhôm lõi thép Phần nhôm để tải điện, phần thép để tăng sức bền, ứng suất Al Fe Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng nhôm thép không giống Quan sát đồ thị = f(l) hình 1.5 ta thấy hai chất thép nhôm bị kéo dài đoạn l ứng suất thép lớn ứng suất nhôm mođuyn đàn hồi thép lớn nhôm Điều khiến việc tính toán ứng suất dây phức hợp trở thành khó khăn phức tạp Để việc tính toán dễ dàng ta đa khái niệm ứng suất giả tởng gt dây phức hợp điều kiện làm việc giống hai phận nhôm thép Thép Fe c Al b Nhôm l Hình 1.5 Đờng cong quan hệ ứng suất dây nhôm dây thép theo độ dãn dài Với định nghĩa đó, dây AC chịu sức kéo T ứng suất giả tởng dây AC là: gt = T T F Al F Fe F Trong đó: F0 tiết diện dây AC FAl, FFe tiết diện phần nhôm phần thép dây AC Gọi EFe, EAl môđuyn đàn hồi thép nhôm E0 môduyn đàn hồi toàn dây AC Theo định nghĩa học có: E= l Vậy dây chịu sức kéo T0 độ dãn l bằng: Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng l = Từ suy Al Fet gt EAl EFe E0 Fe EFe Al EAl VËy: gt = Al E0 E0 vµ gt = Fe F Al F Fe (1.7) NÕu gäi TAl TFe lực tác dụng lên phần nhôm phần thép thì: T0 = TAt + TFe gt = ( FFe + FAI) AlFAl + FeFFe hay: (1.8) Vì l, E nên phơng trình (1.8) cã thÓ viÕt: E0( FFe + FAI) = EAlFAl + EFeFFe Gi¶i ta cã: EAl FAl EFe.FFe EAl FAl EFe FFe E0 = = F Al FFe 1 FAl FFe 1 FFe FAl FAl =a FFe Gäi: Ta cã: FFe FFe (1.9) E0 = aEAl EFe 1 a C«ng thøc 1.9 cho phÐp ta tÝnh đợc môduyn đàn hồi toàn dây AC Thay trị số E0 vào (1-7), ta có: Al = gt = EAl E 1 a gt Al E EFe aEAl (1.10) Fe = gt = EFe E 1 a gt Fe E EFe aEAl (1.11) Víi c¸c công thức: (1.7), (1.10), (1.11) xác định đợc ứng xuất thép nhôm theo ứng suất giả tởng ngợc lại Khi biết gt ta dễ dàng tính đợc độ vòng dây phức hợp theo công thức quen thuộc: Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng l g f= 8gt Đ1.7 Độ võng ứng suất dây nhôm lõi thép điều kiện khí hậu khác Để xác định độ võng ứng suất dây phức hợp điều kiện nhiệt độ khác nhau, ta sử dụng phơng trình trạng thái bản: n - l gn 24 n m l gn 24 n (n m) Nhng n m đợc thay ứng suất giả tởng gtn gtm Còn phải hệ số dãn në nhiƯt vµ hƯ sè d·n në nhiƯt vµ hƯ số dãn nở đàn hồi toàn dây phức hợp gọi Hệ số dãn nở đàn hồi , tìm đợc từ (1.9) = E0 1 a aEAl EFe B©y giê bắt đầu tính dây AC Giả thiết phần nhôm thép đợc tự dãn nở, không ảnh hởng dẫn Lúc đầu nhiệt độ nhiệt độ lúc chế tạo, hai phận nhôm thép có độ dài (hình 1.6) A C E D F I K B Hình 1.6 Độ dãn nở dài dây nhôm lõi thép đốt nóng Khi nhiệt độ dây tăng lên nhôm dãn nở nhiều thép, độ dài phần nhôm chiếm vị trí EF, thép dãn nở chiếm vị trí IK Nhng thực tế phần nhôm phần thép đợc bện chặt với nhôm thép dãn nở chiếm tới vị trí CD (nhôm bị kéo lại từ EF tới CD thép bị kéo dài thêm từ IK đến CD) Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Khi nhiệt độ dây thấp nhiệt độ lúc chế tạo ta thấy nhôm nhiều thép nh nhôm bị lùc kÐo, thÐp bÞ lùc nÐn Ta quy íc lùc kÐo cã dÊu + vµ lùc Ðp cã dÊu - Trong điều kiện định dây cân lực cân lẫn ta cã: TFe = (Fe - 0)(n - )EFeFFe TAl = - (Al - n)(0 - )EAlFAl Trong đó: nhiệt độ lúc chế tạo (nhiệt độ trung bình phân xởng máy ) Liên Xô lấy = 150C C©n b»ng: TAl = TFe (Fe - 0)(n - )EFeFFe = - (Al - 0)(0 - )EAlFAl Hay: FeEFe - 0EFe = - EAlAl Thay FAl FAl + 0EAl FFe FFe F Al a phơng trình ta tính đợc 0: F Fe = FeE Fe a Al E Al EFe aEAl (1.12) Với công thức ta tính đợc hệ số dãn nở dài n toàn dây phức hợp AC Biết 0, với phơng trình trạng thái ta tính đợc gt dây dẫn điều kiện khí hậu từ dùng công thức: l g f= để tính đợc độ võng 8gt Đ1.8 Khoảng vợt tới hạn dây nhôm lõi thép Dây dẫn phức hợp có: ứng suất phụ tải giới tác dụng gây nên mà có: ứng suất chênh lệch nhiệt độ chế tạo nhiệt độ lúc sử dụng (vì hai hệ số dãn nở thép nhôm khác nhau) Tất hai ứng suất cộng lại không đợc vợt ứng suất cho phép mà dây chịu đợc hay nói xác không đợc vợt ứng suất mà nguyên liệu dây chịu đựng đợc Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng ứng suất chênh lệch nhiệt độ tạo nên có quan hệ chặt chẽ với thay đổi nhiệt độ bên Đồng thời ứng suất tạo nên tác dụng phụ tải giới dây dẫn có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ bên Do ta thấy ứng suất tổng hợp phần kim khí khác cấu tạo nên dây dẫn có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ vùng mà đờng dây qua Vấn đề cần xác định khoảng vợt tới hạn lth đờng dây dùng dây dẫn phức hợp, tức khoảng vợt mà ứng suất lớn xuất trờng hợp: Nhiệt độ thấp phụ tải giới lớn tức lúc nhiệt độ lúc chế tạo giây dẫn, phần nhôm tác dụng lên phần thép lùc b»ng: T = (Al - o) (o - )EAlFAl Đồng thời lúc phần thép tác dụng lên phần nhôm lực lực nhng khác chiều: T = - T’ = - (Fe- o) (o - )EFeFFe Nếu không ý tới chiều lực ta chia hai công thức cho FAl AFe ta cã: ,Al = (Al - o) (o - ) EAl ứng xuất tạo nên chênh lệch nhiệt độ nhôm và: ,Fe = (Fe - o) (o - )EFe ứng xuất tạo nên chênh lệch nhiệt độ thép Gọi Al Fe ứng xuất thực phần nhôm thép dây AC T T Al Fr ứng xuất tác dụng phụ tải giới gây nên hai phần nhôm thép dây Ta cã: Al = ,Al + TAl Fe = ,Fe + TFr Đối với khoảng vợt khoảng vợt tới hạn, nhiệt độ thấp phụ tải giới lớn ứng xuất dây hai phần nhôm thép lớn 2 Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Giả thiết ứng xuất lớn ứng xuất cho phép thép nhôm ta có: [Al] = ,Al + TAl [Fe] = ,Fe + TFr Tõ hai biĨu thøc trªn ta cã: T , Al = [Al] - Al =[Al] - (Al - ) (o - ) EAl: Vµ T , Fr = [Fe] - Fe =[Fe] - (Fe - ) (o - ) EFe mục ta tính ứng xuất giả tởng gt = Al Eo Eo gt = Fe EAl EFe Trong công thức TAl TFr ứng suất phụ tải giới tác dụng lên phần nhôm phần thép ta cha xét đến ảnh hởng chênh lệch nhiệt độ Do ta phải thay Al Fe công thức T T Al Fr ®Ĩ tÝnh gt VËy: gt= TAl Eo Eo vµ gt = TAl EAl EFe Thay giá trị TAl TFr vµo biĨu thøc nµy ta cã Eo gt = [Al ] (Al o)(o ) EAl (1-13) Eo gt = [Fe] (Fe o)(o ) EFe (1-14) EAl EFe Trong trÞ số tính đợc gt từ hai công thức (1-13) (114) Ta chọn số nhỏ để tính gt cho dây AC Gọi gt ứng suất giả tởng dây AC lúc = E0 gttn = Al Al min E Al EAl Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Gọi gtm ứng suất giả tởng dây AC lúc phụ tải giới lớn nhiệt độ lúc = bão E0 gttm = Al Al b· o E Al EAl Với khoảng tới hạn lth dây nhôm lõi thép, phơng trình trạng thái d©y dÉn cã thĨ viÕt nh sau: gtn 2 lth.gn lth.gm th ggtm (min bao) 210 gtn 210 2gtm 0 Trong ®ã: gn = g1 tỷ tải dây AC lúc = gm = gbão tỷ tải dây AC lúc trời bão gtm gtm Giải phơng trình theo lth = 0 ( min bao) 0 2 gm gn 210gtm 2102gtn Thay trị số gtn gtm tính đợc trên, ta có: lth = 24 Al(bao min) 2 g g m n gtm gtn Công thức cho ta tính đợc lth tất đờng dây dùng dây dẫn vặn xoắn hai loại kim loại Đ1.9 Ví dụ Một đờng dây dùng dây nhôm lõi thép AC = 95, khoảng vuợt l = 200m, qua vùng dân c, có điều kiện khí hËu lµ: a Lóc nãng nhÊt: max = + 400C, v = 0m/sec Lóc l¹nh nhÊt: max = + 50C, v = m/sec Lóc b·o: max = + 250C, v = 35 m/sec Đặc tính lý dây AC - 95 nh sau: FAl = 978 mm2 FFe = 17,8 mm2 a = 5,46 g1 = 3,725.10-3 kg/m mm2 g1(35) = 7,132-3.10-3 kg/m mm2 EFe = 20.000 kg/ mm2 EAl = 6.300 kg/ mm2 Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Fe = 12.10-6 (1/0C) Al = 23.10-6 (1/0C) Tính số liệu cần thiết cho đờng dây Bài giải Hệ số dãn nở theo nhiệt độ dây phức hợp 12.10 4.20.103 5,46.10 6.6,3.103 Fe EFe Al aEAl 0 = = 20.103 5,46.6,3103 EFe aEAl = 18,9.10-61/oC HÖ sè kéo dài đàn hồi dây phức hợp o = 1 a 1 5,46 3 EFe aEAl 20.10 5,46.10 = 118.10-6 mm2/kg Nh nói, tính toán phải dựa ứng xuất phần nhôm Nhôm có cờng độ bền giới hạn gh = 16 kg/mm2 Đờng dây qua khu vực dân c dùng dây AC theo quy phạm có hƯ sè an toµn b»ng VËy øng xt cho phép nhôm là: [Al] = 16 kg/ mm2 a) Để xác định đợc ứng xuât giả trởng gtm gtn dùng công thức tính khoảng vợt tới hạn, ta phải xác định ứng xuất đo chênh lệch nhiệt độ Al phát sinh phần nhôm dây dẫn nhiệt độ bão = 250C min = +50C Al = (Al - n) (n - ) EAl Khi min = 50 th× Al = (23,10-6 - 18,9.10-6)(15-5).6300 = 0,258kg/mm2 Khi b·o = 250 th× Al = (23.10-6)(15-25).6300 =-0,258kg/mm2 ứng xuất phần nhôm dây dẫn phụ tải giới gây nên đợc xác định theo công thức: TAl = [ A1 ]- A1 Khi min = 50C th× TAl = - 0,258 = 7,712 kg/mm2 bao = 250C th× TAl = - -0,258 = 8,258 kg/mm2 Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng Vậy ứng suất giả tởng dây dẫn đợc xác định theo c«ng thøc: gt= TAl E0 EA 1 10,357kg/ mm2 Khi min = 50C th×: gtm7,712 6 6300 118.10 11,015kg/ mm2 Khi b·o = 250C th×: gtn 8,258 6300 118.10 Khoảng vợt tới hạn dây dÉn lµ: lth 24Al b· o min gm gn gtm gtn 24.23.10 6 25 5 2 7,132 3,725 10 11,015 10,357 195,4m Theo đầu l = 200m > 195,4m VËy øng st lín nhÊt cđa d©y dÉn xuất lúc phụ tải gới lớn tức lúc có bão, tốc độ gió vmax = 35m/ sec, nhiƯt ®é b·o = 250C øng st lín nhÊt lµ: 3(35) = gtm = 11,015 kg/mm2 b TÝnh độ võng lớn nhất: Độ võng dây dẫn lớn max = 400C, gió Bây phải tìm ứng suất giả tởng dây dẫn lúc nhệt độ không khí max = 400C phơng trình trạng thái bản: a l2g12 l2g32 0 max b· o ( 35 ) 21012 21032(35) 0 1 2002 (3,725)12.10 2002 (7,132)12 10 18,9.10 40 25 11,015 21.118.10 12 21.118.10 6.11,015 118.10 Gi¶i ta cã: 3 = 3,95 kg/mm2 Độ võng lớn dây là: 2002.3,725.10 f1 4,58m 8.3,95 Giáo trình Cơ khí đờng dây Chơng