Podstawy projektowania elektroenergetycznych linii napowietrznych. Zeszyty dla elektryków - nr 11

Podstawy projektowania elektroenergetycznych linii napowietrznych. Mechanika przewodów
Seria: Zeszyty dla elektryków - nr 11

rok wydania: 2014, wydanie pierwsze
ilość stron: 192
ISBN: 978-83-64094-31-6
format: 23x16 cm
oprawa: miękka

Książka została wydana pod patronatem miesięcznika elektro.info

Wprowadzenie
Jednym z elementów procesu budowlanego jest opracowanie dokumentacji projektowej zwyczajowo zwanej projektem. Projekt jest dokumentem prezentującym myśl i wolę projektanta, który opierając się na własnej wiedzy technicznej i obowiązujących w czasie projektowania przepisach, proponuje taki kształt przyszłej budowli, by spełniała wymagania określone w specyfikacji przedprojektowej lub w programie funkcjonalno-użytkowym, w sposób gwarantujący bezpieczeństwo i niezawodność jej użytkowania. Stąd na projektancie ciąży ogromna odpowiedzialność za wykonany projekt, zarówno moralna, jak i prawna. W przypadku każdej katastrofy budowlanej bada się, czy projekt był wykonany zgodnie z aktualną wiedzą techniczną, czy budowla została wykonana zgodnie z uzgodnionym projektem oraz, czy w trakcie eksploatacji wykonywano wymagane badania i czynności eksploatacyjne. Więc dokumentacja projektowa wraz z dziennikiem budowy i książką obiektu budowlanego są niczym „czarna skrzynka” w samolocie. Pozwalają ustalić przyczynę katastrofy i w efekcie dać przyszłym konstruktorom wskazówkę, czego nie wolno robić. Projekt stanowi tutaj podstawowy dokument do oceny przyczyn katastrofy, dlatego ważne jest, by zawarto w nim wszystkie niezbędne informacje, poczynając od specyfikacji przedprojektowej, poprzez obliczenia uzasadniające poprawność koncepcji, a na doborze urządzeń skończywszy.
Sam projekt powinien spełniać cztery wymagania: formalnoprawne, techniczne, jakościowe i ekonomiczne. Wymagania formalnoprawne wynikają z przepisów Prawa budowlanego, Prawa energetycznego i związanych z bezpieczeństwem, doborem przewodów itd. Do warunków formalnoprawnych należą również warunki techniczne wydawane przez firmy energetyczne. Wymagania techniczne wynikają z ograniczeń, jakie mają materiały użyte do budowy linii, i z innego rodzaju obostrzeń, jakie narzuca technologia. Są to ograniczenia natury elektrycznej i mechanicznej. Ograniczenia natury elektrycznej związane są z maksymalną obciążalnością prądową przewodów, spadkami napięcia, zwarciami i wymaganiami ochrony przeciwporażeniowej. Ograniczenia natury mechanicznej związane są z mechaniczną wytrzymałością materiałów, mechaniką słupów, przewodów, osprzętu i gruntu. Wymagania związane z jakością dotyczą wszelkich aspektów wpływu zastosowanych do budowy elementów na niezawodność projektowanej sieci. Natomiast wymagania ekonomiczne dotyczą ograniczeń kosztów budowy i kosztów użytkowania sieci w przyszłości. Sama forma projektu budowlanego sprecyzowana została w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (DzU 2012.462).
W publikacji omówiono jedynie aspekty techniczne, a w zasadzie mechaniczne budowanych linii napowietrznych.

Spis treści
Od Autora / 5
Podziękowania / 6
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
Literatura / 192

Od Autora
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.

Andrzej Hoły
Zakopane 14.02.2014

Podziękowania
Na zakończenie chciałbym podziękować osobom, które bezpośrednio lub pośrednio, same o tym nie wiedząc, przyczyniły się do powstania tej książki. Podziękowania te należą się przede wszystkim mojej żonie Krysi za wyrozumiałość, kiedy byłem nieobecny mentalnie w domu. Moim córkom Asi i Eli za wsparcie duchowe, gdy straciłem ochotę na dalsze pisanie. Moim kolegom z pracy w Rejonie Dystrybucji Zakopane, z którymi prowadziłem burzliwe, ale bardzo inspirujące dyskusje na te tematy. Właśnie chęć prostego wyjaśnienia poruszanych w tych dyskusjach zagadnień zainspirowała mnie do napisania tej monografii.
Andrzej Hoły

Tematyka tej publikacji poruszana jest regularnie w miesięczniku "elektro.info" Zamów prenumeratę >>