Podstawy projektowania elektroenergetycznych linii napowietrznych Mechanika przewodów

Projektowanie elektroenergetycznych linii napowietrznych wymaga wielodyscyplinarnej wiedzy, obejmującej zagadnienia czysto elektryczne, ale też zagadnienia z zakresu mechaniki. Na ogół projektantami linii energetycznych są elektrycy, posiadający dużą wiedzę o zagadnieniach elektrycznych, ale mniejszą z zakresu mechaniki. Dlatego tej tematyce poświęcona została niniejsza książka. Jej zawartość daje podstawową wiedzę techniczną z zakresu mechaniki przewodów i słupów, a także omawia szczegółowo niektóre problemy związane z budową i rozbudową linii napowietrznych.

Zgodnie z Prawem budowlanym (DzU z 2000 r., nr 106, poz. 1126) „obiekt budowlany należy projektować, budować, użytkować i utrzymywać zgodnie z przepisami, w tym techniczno-budowlanymi, obowiązującymi Polskimi Normami oraz zasadami wiedzy technicznej”. Następnie Ustawa o normalizacji (DzU z 2002 r., nr 169, poz. 1386) z 12 września 2002 r., zniosła obowiązek stosowania norm, dając projektantom większą swobodę tworzenia, ale przeniosła na nich pełną odpowiedzialność za wykonany projekt.

Znajomość norm można uznać za element wiedzy technicznej, więc projektanci zawsze będą się nimi posługiwać, choćby ze względu na to, że są one sankcjonowane przez firmy energetyczne i odniesienie się do nich w projekcie zawsze stanowi „żelazny argument” na jego obronę. Dlatego projektanci posługują się normami i gotowymi katalogami różnych firm nie zastanawiając się, skąd wzięły się zawarte w nich wzory i zalecenia. A powinni to wiedzieć, aby być pewnym swojej pracy. Do tej pory w tej dziedzinie stosowane były normy PN-E-05100-1 i SEP-E-003.

Obecnie zastępowane są normami europejskimi. Dla sieci 110 kV obowiązuje norma PN-EN 50341-1:2005, z kolei dla sieci 15 kV – norma PN-EN 50423 1:2007, obie normy posiadają uzupełnienia krajowe. Nowe normy jak na razie nie obejmują linii o napięciu mniejszym niż 1 kV. Być może, kiedy ukaże się ta książka, będą obowiązywały już inne normy. Wybór właściwej normy należy do projektanta. Niezależnie od tego, jakie one będą, do ich zrozumienia konieczna jest odpowiednia wiedza techniczna.

I tę wiedzę pragnę Czytelnikowi przekazać. Podstawą jej jest fizyka. Starałem się opisać wszelkie zjawiska fizyczne, jakie występują w liniach napowietrznych. Chciałbym, aby z książki mogli skorzystać wszyscy zainteresowani tą tematyką, niezależnie od wykształcenia i umiejętności matematycznych. Dlatego część wzorów wyprowadziłem za pomocą prostej matematyki. Niestety, niektóre zagadnienia wymagają minimalnej znajomości rachunku różniczkowego i całek.

Czytelnicy mniej wprawni w tej dziedzinie muszą uwierzyć, ale aby ich przekonać, zaproponowałem kilka łatwych do powtórzenia doświadczeń. Zachęcam też innych do ich wykonania, przede wszystkim młodszych Czytelników. Pozwalają bowiem nabrać pewnego wyczucia inżynierskiego, które przyda się im w życiu zawodowym. Wyczucie to trudniej nabyć analizując suche zapisy wzorów matematycznych. Nie oznacza to jednak rezygnacji z teorii i jej matematycznych rezultatów, ponieważ pozwalają one zweryfikować naszą intuicję.

Ponieważ te same wielkości fizyczne mają w wielu opracowaniach i normach różne oznaczenia, aby terminologia była dla wszystkich jednoznaczna, do opisu zjawisk fizycznych przyjąłem oznaczenia z typowego podręcznika do fizyki. Natomiast w przypadku powołania się na wzory zaczerpnięte z norm, podaję ich oryginalną postać, a więc i oznaczenia wielkości fizycznych.

Choć w książce odnoszę się głównie do elektroenergetycznych linii napowietrznych, to z zawartych w niej informacji mogą korzystać projektanci napowietrznych sieci światłowodowych i teletechnicznych, zresztą niektóre materiały zaczerpnąłem z katalogów dotyczących sieci światłowodowych. Mam nadzieję, że książka poszerzy wiedzę techniczną i będzie przydatna w dalszym życiu zawodowym Czytelników. Życzę tego wszystkim czytającym.

Spis treści

1. Wprowadzenie  7

2. Podstawowe pojęcia  8
2.1. Elementy linii napowietrznej  9

3. Siły działające na przewód  12
3.1. Zjawiska fizyczne wewnątrz przewodów  15

4. Konstrukcje przewodów  21
4.1. Własności mechaniczne przewodów  24
4.1.1. Wielkości mechaniczne charakteryzujące przewody  27

5. Krzywa łańcuchowa  32
5.1. Rysowanie krzywej łańcuchowej (rozwiązanie graficzne)  33
5.2. Uogólnienie metody graficznej  37
5.3. Wyprowadzenie wzoru na zwis (sposób pierwszy)  38
5.4. Wpływ rozciągania przewodu  39
5.5. Przęsło poziome  42
5.6. Równanie krzywej łańcuchowej przęsła poziomego  43
5.7. Przęsło pochyłe  47
5.8. Analiza dokładności obliczeń  50

6. Równania stanów  52
6.1. Równanie stanów dla przęsła poziomego  52
6.2. Równanie stanów dla przęsła pochyłego  53
6.3. Równanie stanów dla nierównomiernego obciążenia  53
6.4. Rozwiązywanie równania stanów   56
6.5. Naprężenie przęsła montażowego  58
6.6. Maksymalna długość przęsła  59
6.7. Analiza powstawania naprężeń w przewodzie  61
6.8. Uogólnienie wzoru na naprężenie  63
6.9. Parametry graniczne  66
6.10. Wpływ podatności konstrukcji wsporczej  68
6.11. Tabele zwisów i naciągów     76

7. Analiza wpływu długości sąsiednich przęseł na słup przelotowy  80
7.1. Przypadek jednakowo długich przęseł  80
7.2. Przypadek przęseł o różnej długości  81
7.3. Wpływ sadzi na naprężenia w przęsłach o różnej długości  82
7.4. Przypadek ogólny  82
7.5. Praktyczne sprawdzenie teorii – „spinaczowy” model przęsła  84
7.6. Analiza wpływu postawienia dodatkowego słupa na rozkład sił w słupach skrajnych  88
7.7. Analiza zakłóceniowych warunków pracy  94
7.8. Moment skrętny  94

8. Zagrożenia  96
8.1. Zagrożenie spowodowane przez sadź  96
8.2. Zagrożenie spowodowane działaniem sił skupionych  101
8.2.1. Wyprowadzenie zależności między siłą skupioną a ugięciem przewodu  103
8.2.2. Określenie maksymalnej wytrzymałości przewodu  106

9.  Drgania przewodów  114
9.1. Rezonans własny i drgania eolskie  114
9.2. Zasada działania tłumika Stockbridge'a  117
9.3. Zasada działania tłumika spiralnego  122

10. Konstrukcje wsporcze – słupy  124
10.1. Działanie sił na konstrukcję wsporczą  124
10.1.1. Ugięcie słupa  130
10.2. Działanie sił pionowych  133
10.3. Schemat statyczny słupa podczas wyboczenia  141
10.3.1. Wpływ początkowego ugięcia słupa  144
10.4. Przykłady uszkodzeń słupów   145
10.5. Wyboczenia w słupie rozkracznym  148
10.6. Konstrukcje zespolone  153
10.7. Siły i momenty przekrojowe działające na słup  159
10.8. Konstrukcje figurowe  163
10.8.1. Słup ze sprężystym odciągiem  166
10.8.2. Słup rozkraczny – Aowy  169
10.9. Słupowe stacje transformatorowe  173

11. Na zakończenie  178

12. Dodatki  179