S4p-24

Program de calcul mecanic al elementelor componente ale retelelor electrice

ing Constantin Stoian ing Rusu Lucian Inginer Sef Distributie SC Electrica Oltenia SC Electrica Oltenia, SDFEE Rm. Valcea SDFEE Rm Valcea, tel 0722307851, tel 0250805807, 0724227938 email: constantin.stoian@electrica-oltenia.ro email: lucian.rusu@electrica-oltenia.ro

Calculul mecanic al elementelor componente ale retelelor de distributie a energiei electrice este o cerinta atat pentru proiectarea unor retele noi cat si pentru verificarea retelelor existente in conditiile in care acestea se incarca cu sarcini suplimentare. Sarcinile suplimentare, in general, provin din instalarea de retele de televiziune prin cablu, telecomunicatii, fibra optica, corpuri de iluminat, banere si panouri publicitare. Corecta dimensionare din punct de vedere mecanic a retelelor de distributie a energiei electrice este un aspect de multe ori neglijat sau tratat cu superficialitate. Exploatarea s-a confruntat cu multe situatii in care, in conditii meteo deosebite, elemente componente ale liniilor electrice, printre care si stalpi, au cedat sub efortul suplimentar provocat de vantul puternic si/sau chiciura. Responsabilitatea pentru siguranta in functionare a retelelor revine atat proiectantului, care trebuie sa argumenteze prin calcule solutia aleasa, cat si beneficiarului care este direct interesat de stabilitatea retelelor si evitarea unor cheltuieli impuse de repararea unor linii incorect dimensionate. Metoda cea mai facila de dimensionare consta in utilizarea tabelelor de sageti si tractiuni pentru conductoare si a tabelelor cu domenii de capabilitate pentru stalpi. Cateva din motivele pentru care metoda nu mai poate fi considerata ca o solutie eficienta pentru proiectare sunt :

- tabelele cu domeniile de capabilitate ale stalpilor iau in calcul date predefinite, orice modificare in configuratia retelei face ca aceste domenii sa devina neacoperitoare ;

- aparitia unei multitudini de tipuri noi de cabluri de distributie, exemplul elocvent sunt cablurile de tip TYIR. In functie de caracteristicile fiecarui cablu, tractiunile sunt diferite, acestea avand un rol preponderent in stabilirea domeniului de capabilitate a unui stalp ;

- nu exista tabele de tractiuni si sageti pentru cablurile CaTV si LTc. Chiar si in situatia in care se pun la dispozitia proiectantului tabelele de tractiuni pentru aceste cabluri, obtinerea unui domeniu de capabilitate a unui stalp este dificila;

In aceste conditii se impune gasirea unei solutii care trebuie sa intruneasca doua

conditii deosebit de importante : in primul rand respectarea prescriptiilor energetice si a indrumarelor de proiectare si in al doilea rand obtinerea rapida a rezultatelor. O astfel de solutie este programul de calcul mecanic , PCM. Notiunile care stau la baza programului PCM si care dealtfel sunt principalele notiuni care trebuie luate in considerare pentru efectuarea unui calcul mecanic corect, sunt :

- caracteristicile meteo ale zonei in care este amplasata reteaua : presiunea dinamica de baza a vantului, grosimea stratului de chiciura;

- parametrii fizici ai conductoarelor : diametru, sectiune efectiva, modul de elasticitate, coeficient de dilatare liniara;

- caracteristici stalpi : dimensiunea la baza si varf, momentul de exploatare - coeficienti de calcul, de siguranta, etc.

Efectuarea unui calcul mecanic impune parcurgerea urmatoarelor etape :

1. determinarea incarcarilor normate si de calcul pentru conductoare si pentru celelalte elemente componente ale liniei electrice

2. determinarea deschiderilor critice si a sarcinii critice. Acestea determina starea de dimensionare a conductorului in functie de deschiderea medie in panoul de intindere. Cele trei posibile stari initiale de dimensionare sunt : -15C, -5C + chiciura + vant sau 15C + vant maxim.

3. determinarea tractiunii orizontale in conductor la starea de dimensionare. 4. determinarea tractiunilor orizontale pentru toate starile impuse. Tractiunile pentru alte

stari se obtin prin rezolvarea ecuatiei de stare care este o ecuatie de gradul trei. Pe langa starile amintite la pct. 2, importanta este starea la 40C pentru ca in unele situatii sageata maxima a conductorului se obtine la aceasta stare.

5. determinarea tractiunilor pentru momentul in care conductorul a ajuns la fluaj maxim 6. determinarea sagetilor conductoarelor pentru diferite deschideri. Sageata intr-o

deschidere este strans legata de valoarea deschiderii medii in panoul de intindere fiind necesar a se repeta calculul pentru diferite deschideri medii.

7. avand sagetile cablurilor se trece la verificarea respectarii distantelor minime admisibile in deschideri intre diferitele nivele (ex. intre nivelul LEA JT si nivelul CaTV sau nivelul LEA MT si nivelul LEA JT, in cazul liniilor comune MT+JT). Se verifica respectarea gabaritelor si pentru fluaj maxim adica dupa zece ani de exploatare a retelei.

8. determinarea deschiderilor maxime admisibile pentru fiecare tip de stalp in parte. Aceasta componenta este deosebit de importanta pentru stalpii de sustinere in aliniament. Acesti stalpi in general au un moment de exploatare mic, fiind dimensionati pentru incarcari de baza ale retelei. Din calcule rezulta ca prin incarcarea suplimentara cu sarcini datorate retelelor de CaTV, LTc sau FO, momentul capabil al stalpului poate fi depasit pentru deschiderile uzuale.

9. determinarea unghiului admisibil atat pentru stalpii speciali cat si pentru stalpii de sustinere. Eforturile maxime la care sunt supusi stalpii de colt se obtin la starea -5C +chiciura + vant.

10. verificarea posibilitatii utilizarii stalpului ca stalp terminal de retea. Pentru siguranta, pe langa starea -5C + chiciura + vant, se verifica si la starea -30C.

11. in cazul in care momentul capabil al stalpului este depasit pentru unghiul dorit sau pentru cazul terminal, se analizeaza posibilitatea ancorarii acestuia.

Exista in practica situatii in care rezultatele obtinute pentru deschiderile analizate in

tabelele pentru determinarea domeniilor de capabilitate, nu sunt concludente. De exemplu, se poate intalni o situatie in care un tip de stalp nu rezista la unghiul dorit in momentul in care se compara cu domeniul pentru deschiderea medie superioara deschiderii medii reale in panoul de intindere din care face parte stalpul dar rezista pentru deschiderea medie inferioara analizata. Aceeasi situatie se poate intalni pentru deschiderile adiacente. Rezolvarea unui astfel de caz impune verificarea pentru deschiderea medie reala din panoul de intindere respectiv deschiderile adiacente reale ale stalpului. Doar un astfel de calcul ne poate oferi solutia corecta. Este de evitat atat utilizarea unui stalp cu moment maxim admisibil depasit dar este neeconomic sa se supradimensioneze reteua. Modul de lucru recomandat pentru efectuarea unui calcul a unei retele electrice necesita defapt efectuarea de calcule de dimensionare pentru fiecare deschidere in parte. Cu toate ca un astfel de proces este mai laborios, numai in acest caz avem certitudinea corectitudinii proiectarii sau verificarii retelei. Pentru exemplificarea importantei luarii in considerare a tuturor elementelor liniei, consideram ca intr-o retea JT avem un stalp SE10 utilizat la intindere in colt. Reteua se gaseste in zona meteo A, amplasament II. LEA JT este construita cu conductoare clasice Al 50+3*50+35 mmp iar suplimentar au fost instalate retele cablu LTc 50 si CaTV RG6.

Fara a mai intra in detalii privind incarcarile normate si de calcul sau conditiile de dimensionare a starii initiale, pentru cazul in care s-au luat in considerare doar incarcarile aferente retelei cu TYIR se obtin rezultatele din tabelul 1. Tabelul 1.

Deschidere medie (m) 30 40 Deschidere reala (m) Unghi minim admisibil

30 136 140.1 40 137.1 141 50 138.1 142

Repetand calculul dar luand in considerare si eforturile suplimentare introduse de cablurile LTc si CaTV, se obtin rezultatele din tabelul 2. Tabelul 2.

Deschidere medie (m) 30 40 Deschidere reala (m) Unghi minim admisibil

30 149.1 152.3 40 150.1 153.2 50 151.2 154.1

Este usor de observat ca diferenta medie de unghi dintre cele doua cazuri se situeaza in jurul unei valori medii de 12.

Pentru un caz concret de 145 concluzia ca reteaua rezista, este o concluzie eronata care poate conduce la ruperea stalpului in caz de conditii meteo extreme, cu implicatii serioase atat pentru proiectant cat si pentru beneficiarul retelei.

O situatie similara se intalneste si in cazul stalpilor de sustinere. Sa analizam deschiderea maxima admisibila a unui stalp SC10001 cu aceeasi incarcare ca si in exemplul precedent dar situat in zona meteo B. Precizam ca deschiderea maxima admisibila este minimul dintre deschiderea maxima in conditii -5C + chiciura + vant respectiv 15C + vant maxim. Daca luam in considerare doar conductoarele de joasa tensiune obtinem rezultatele : Deschiderea maxima in conditii de vant si chiciura : 64.0668 m Deschiderea maxima in conditii de vant maxim : 49.74122 m Se observa ca deschiderile uzuale din retelele de joasa tensiune sunt acoperite de domeniul de utilizare al stalpului SC10001. In cazul in care se iau in considerare si incarcarile produse de cablurile LTc si CaTV, se obtin rezultatele : Deschiderea maxima in conditii de vant si chiciura : 41.19336 m Deschiderea maxima in conditii de vant maxim : 36.51539 m Se observa ca in conditii de vant maxim deschiderea maxima admisibila are o valoare care este situata sub valorile medii ale deschiderilor uzuale din retelele de joasa tensiune. Deasemenea a se trage o concluzie privind capabilitatea retelei doar pe baza incarcarilor produse de conductoarele LEA, s-a evidentiat ca ar fi o masura cu urmari imprevizibile. Totusi, conform prescriptiilor energetice, se admite o depasire a momentului maxim admisibil a unui stalp cu 3 %. In practica de proiectare trebuie evitata aducerea incarcarii in aceasta zona sau trebuie generate mai multe scenarii de incarcari si defecte astfel incat sa ne asiguram ca in nici o situatie nu depasim acest prag. PCM ofera aceasta facilitate, poate calcula extrem de rapid orice varianta de incarcari. De aceeasi utilitate este si modulul de calcul a sagetilor conductoarelor. Nu este suficient sa se asigure gabaritul liniilor la clema. Distantele trebuiesc verificate si in

deschidere. Mai mult decat atat, datorita diferentelor dintre modulele de elasticitate si coeficientii de dilatare liniara, la o temperatura de 40C exista riscul intercalarii conductoarelor de la nivele diferite. Aceeasi situatia se poate produce in conditii de chiciura. STAS 831 impune verificarea gabaritelor in aceste conditii, suplimentar, se considera ca la -5C doar conductorul LEA are depuneri de chiciura. PE 104 si PE 106 nu impune masuri de combatere a efectelor fenomenului de fluaj ci impune asigurarea gabaritelor atat la montaj cat si in momentul de fluaj maxim. In aceste conditii calculele sunt practic imposibile daca se abordeaza o metoda de calcul traditionala. Existenta calculatoarelor moderne, larg raspandite in dotarea atelierelor de proiectare ne permite sa utilizam un produs informatic profesional, cum este PCM, pentru efectuarea calculelor de dimensionare mecanica. PCM prin puterea lui de calcul poate fi utilizat ca baza de referinta pentru imbunatatirea PE 104 si 106 atunci cand, ca date de intrare se utilizeaza valori rezultate in urma unor incercari. De exemplu, daca se executa probe distructive in poligon, avem la dispozitie incarcarile de rupere reale. Introducand aceste incarcari ca date de intrare in program, impreuna cu datele de capabilitate ale stalpului respectiv, daca toate informatiile sunt corecte atunci rezultatul calculului trebuie sa confirme experienta practica. Daca nu, trebuie cautata sursa de erori. Aceasta poate fi localizata in zona parametrilor care definesc capabilitatea stalpului sau in conditiile de calcul impuse de PE. Adancind analiza se poate identifica foarte clar locul in care trebuie efectuate corectii. Adeseori in practica, mai ales daca vorbim de instalatii vechi, gradul de incertitudine al rezultatelor unui calcul mecanic este destul de mare. Daca aceasta situatie este coroborata cu existenta unei singure variante de calcul, fara elemente de verificare masurabile in teren, atunci concluziile sunt gresite cu probabilitate foarte mare. PCM ofera sansa de a ajunge la rezultate valabile in toate situatiile care pot fi intalnite practic tocmai datorita versatilitatii sale remarcabile. In uzul curent al proiectantilor exista diferite foi electronice de calcul care ofera in general rezultate destul de corecte dar care au marele dezavantaj ca sunt construite pentru calculul unei game destul de restranse de echipari ale LEA. In general aceste foi electronice de calcul pot fi utilizate cu succes doar la dimensionarea initiala a unei LEA echipata doar cu circuite de forta. Solutionarea cerintelor actuale de coexistenta a LEA cu diverse alte retele nu poate asigurata cu generatia actuala de programe de calcul mecanic aflate in uzul atelierelor de proiectare decat cu aproximari suparator de mari. Problema coexistentei este de actualitate si se va acutiza in perioada urmatoare, retelele electrice aeriene fiind dorite ca suport pentru o gama larga de retele de date si comunicatii respectiv pentru diverse obiecte destinate reclamei stradale. Toate aceste aplicatii conexe care utilizeaza stalpii LEA sunt intr-o perioada de dezvoltare exploziva. Agentii economici respectivi sunt intr-o competitie acerba pentru acapararea de piete noi. O dovada a acestei situatii o constituie rapida modificare a STAS 831 care intr-o perioada scurta a ajuns la a varianta 6 si probabil va continua sa se perfectioneze. Rezultatele care se pot obtine cu aplicarea PCM pot constitui o serioasa baza de referinta pentru imbunatatirea STAS 831. In egala masura cu cele mentionate mai sus, operatorilor SEN pot sa obtina economii importante prin evitarea supradimensionarii retelelor electrice. Acest lucru poate fi asigurat de utilizarea PCM, conferind totodata proiectantilor sentimentul de siguranta prin convingerea acestora prin rezultatele scenariilor de defect ca retelele proiectate de ei nu sunt subdimensionate, fiind cunoscut ca la supradimensionare se ajunge prin luarea succesiva de coeficienti de siguranta, atat de catre PE, de catre fabricantul stalpului si ulterior de catre proiectant. Programul este astfel structurat incat toate datele se introduc prin intermediul unei singure interfete grafice, pentru un mai bun control si pentru usurinta trecerii de la o conditie initiala la alta. Datele de iesire sunt scrise automat in fisiere independente pentru fiecare etapa de calcul pentru a usura integrarea datelor in textul memoriilor proiectelor. Principalele atribute ale PCM sunt versatilitatea si universalitatea.

Sa punctam caracteristicile PCM : 1. Efectuarea calculelor mecanice pentru orice tip de retea : de inalta si medie tensiune,

in conformitate cu PE 104 cat si joasa tensiune, conform PE 106. 2. Posibilitatea de introducere a unui numar mare de tipuri de cabluri cu diferite destinatii

in paralel. De fapt acest caz descrie cel mai bine modul actual de functionare a liniilor electrice aeriene de joasa tensiune. Programul permite calculul mecanic, de exemplu, a unei retele de joasa tensiune cu circuite cu conductoare clasice, circuite cu conductoare torsadate, cabluri LTc si cabluri CaTV. In astfel de cazuri domeniile de capabilitate a stalpilor sunt drastic reduse.

3. In functie de vechimea conductorului se poate lua in considerare fenomenul de fluaj atat pentru calculul tractiunilor si sagetilor cat si pentru domeniul de utilizare a stalpilor unei retele existente. Fenomenul de fluaj e luat in considerare si la proiectarea unei retele noi cand este necesar a se respecta gabaritul dupa fluarea conductoarelor.

4. Obtinerea domeniilor de capabilitate a stalpilor pentru o gama larga de deschideri medii in panou respectiv deschideri adiacente.

5. Pentru cazuri la limita, cand rezultatele din tabelele de domenii nu sunt concludente, se pot analiza conditii particulare privind deschiderea medie si deschiderile adiacente.

Bibliografie : - STAS 831 - PE 104 si indrumare de proiectare conexe - PE 106 si indrumare de proiectare conexe

Program de calcul mecanic