J.U.MSŠ Maglaj 2011/12 god.
MATURSKI RAD Predmet: Elektroenergetske mreže Tema:Stubovi,mehanički proračun stubova
1
Kandidat: Mentor: Mrvoljak Ahmet Ćerimagić Dino dipl.ing.el.
SADRŽAJ: 1.UVOD....................................................................................................3 2.STUBOVI...........................................................................................3-4 3.VRSTE STUBOVA...............................................................................4 3.1.DRVENI STUBOVI.....................................................................4-5 3.2.ARMIRANO-BETONSKI STUBOVI…...……………….………...5 3.3.ČELIČNO-REŠETKASTI STUBOVI………………...…………6-8 4.UPOREĐENJE STUBOVA………………………………….……9-10 5.IMPREGNIRANJE DRVENIH STUBOVA………………..……10-12 6.NOGAVICE KOD DRVENIH STUBOVA I NJIHOVA PRIMJENA……………………………………………………….12-16 7.MEHANIČKI PRORAČUN DRVENIH STUBOVA………...….16-17 8.LINIJSKI STUB……………………………………….……..…..18-20 8.1.TEMELJI (FUNDAMENTI)…………..............……………20-22 9.DIMENZIONISANJE DRVENIH A-STUBOVA……...….…….22-24 10.DIMENZIONIRANJE PODUPRTIH I USIDRENIH DRVENIH STUBOVA…………………………………….…..24-24 11.ZAKLJUČAK………………………………………………………26 2
12.LITERATURA……………….…………………………………….27
1.UVOD: U ovom maturskom radu će biti detaljno objašnjeni stubovi i sve potrebno za njihov proračun, njihovo dimenzionisanje isl.Dio smo obradili u 3. razredu,ali će ovdje biti spomenuto dosta toga što nismo spomenuli kao i dio s kojim smo se upoznali. Između ostalog,biti će govora o vrstama stubova,njihova podjela kao i izvedba drvenih,čelično-rešetkastih,armirano betonskih i ostalih stubova. Upoznat ćemo se sa pojmom impregnacije drvenih stubova,vrstama i metodama impregnacije. Zatim ćemo ih uporediti u esteskom pogledu,prema vijeku trajanja,prema pogonskoj sigurnosti,ekonomičnosti isl. Nakon toga će biti govora o jednom važnom dijelu stuba tj.nogavicama, da bi se poslije toga upoznali sa linijskim stubom i svim potrebnim za njegov proračun i proračun njegovih temelja. U završnom dijelu ovog maturskog rada će biti predstavljeno dimenzionisanje drvenih A-stubova,poduprtih i usidrenih stubova.
2.STUBOVI: Nadzemni vodovi se izrađuju prema namjeni, na dva različita načina: 1. Vodovi niskog napona -mjesne mreže- izrađuju se na stubovima, koji su dimenzionisani skoro podjednako po cijeloj dužini trase, te ih možemo nazvati čvrstim stubovima.Ako se prekinu provodnici, tada se jednostrana vuča provodnika prenese na više stubova poredanih jedan za drugim sa strane od mjesta prekida (kvara). 2. Vodovi visokog i vrlo visokog napona izrađuju se tako, da se na svakih 3 do 5 km postavljaju rasteretni stubovi, a između ovih se nalazi po nekoliko lakših stubova,zvanih linijski stubovi.Prilikom prekida provodnika rasteretni stub ima zadatak da sigurno izdrži jednostranu vuču provodnika, a linijski stubovi, postavljeni između rasteretnih, mogu se prilično preopteretiti. Obe vrste stubova. kod neprekinutih provodnika moraju odolijevati raznim naprezanjima, koja se javljaju usljed različitih klimatskih uticaja. Rasteretne stubove također možemo zamijeniti sa ugaonim stubovima, kao i sa stubovima koji se
3
upotrebljavaju prilikom ukrštanja ili odvajanja vodova. Radi sigurnosti i mreže niskog napona se snabdijevaju, bar na svakih 6 km, sa rasteretnim stubovima, ili pak sa rasteretnim ugaonim stubom, ili odvojnim. Pod stubom podrazumijevamo svaki drveni, čelicni ili betonski, pa i aluminijski predmet određene dužine,ukopan u zemlju koji nosi nadzemni električni vod. Prema materijalu stubove dijelimo na: drvene, armiranobetonske i čelično-rešetkaste (gvozdene). Pored ovih izrađuju se stubovi sa izbetoniranim čeličnim cijevima i od aluminijuma. Oblik i razmjera stuba zavisi od materijala, funkcije i sile koju stub treba da izdrži. Također zavisi i od napona, broja i presjeka provodnika, dalje od raspona terena i od nosivosti zemlje.Dijelovi stuba su: temelj, direk, prečke, konzole, podupirači i sidra (kotve). Stub ima dužinu L, visinu iznad zemlje v, dubinu ukopavanja t, tj. dio stuba u zemlji ili betonu. Visina stuba iznad zemlje određuje se prema: rasporedu provodnika pri vrhu stuba, ugibu provodnika f, propisanom odstojanju najnižeg provodnika (pod naponom) od zemlje, a kod visećih izolatora (lanac) prema dužini lanca i od visine gromobranskog užeta postavljenog iznad provodnika kod vodova veoma visokog napona.
3.VRSTE STUBOVA: Prema funkciji stubove dijelimo na: 1. linijske stubove-koji se nalaze u pravolinijskom dijelu trase; 2. zatezne-koji se postavljaju na kraju električnog voda; 3. rasteretne-koji se postavljaju na svaka 3 kilometra kod dalekovoda ili na oko 5 do 6 km kod mreža niskog napona. Pored ovih osnovnih vrsta imamo još: 4. ugaone stubove, koji se postavljaju u tačkama električnih vodova, gdje trasa voda skreće pod uglom većim od 9°; 5. poduprte stubove, koji se postavljaju isto kao ugaoni stubovi, kao i na krajevima vodova. 6. usidrene stubove, koji se postavljaju na krajevima vodova.Preporučuje se da se izbjegava primjena usidrenih stubova.Stubovi navedeni pod 5 i 6 postavljaju se samo kod mreža niskog napona, a svi ostali kod vodova visokog napona i mreža niskog napona. Na stubovima obavezno treba da postoje tablica sa rednim brojem stubova, a kod stubova za vodove visokog napona još i opomenske tablice "visoki napon" kao upozorenje. Po potrebi se na nekim stubovima u liniji visokog napona postavljaju vazdušni rastavljači, odvodi prenapona, mali transformatori od 20 kVA, transformatori za regulisanje, uljni automatski prekidači sa ponovnim uključivanjem itd., a u novije vrijeme i kondenzatori sa automatskim prekidačima. O svemu ovome treba voditi računa pri konstrukciji stubova.
4
3.1.DRVENI STUBOVI: Drveni stubovi se u principu proizvode sve do za napon 220 kV, međutim danas se prvenstveno upotrebljavaju kod niskonaponskih i srednjenaponskih nadzemnih vodova. Drveni stubovi se prave od smrče, jele, bora ili kestena a bagrem i hrast se koriste za pojedine djelove (prečke, pragovi, klinovi i dr.). Prednost drvenih stubova je u maloj težini i brzoj montaži. Drveni stubovi su jeftini u izgradnji, ali zbog reletivno male trajnosti skupi su u pogonu. Trajnost drvenih stubova je 7 do 8 godina Najprije istruhnu u visini površine zemlje. Da bi im se vijek produžio na 15 do 20 godina drveni stubovi se impregniraju po raznim postupcima i raznim sredstvima. Tipične siluete (pojednostavljeni prikaz konstrukcije) drvenih stubova prikazane su na slici I:
Drveni stubovi se ukopavaju u zemlju direktno ili preko nogara. Nogari se primjenjuju u slučaju kad drveni stub nije impregniran. Nogari su impregnirani i postavljaju se u zemlju, dok je drveni stub obično neimpregniran i postavljen iznad zemlje. Na taj način se povećava životna dob drvenih stubova. Nogari se primjenjuju i za povećanje visine stuba.
3.2.ARMIRANO-BETONSKI STUBOVI: Armirano-betonski stubovi se izrađuju do napona 110 kV, ali se praktično upotrebljavaju u niskonaponskim mrežma i srednjenaponskim mrežama do nazivnog napona od 35 kV. U mrežama visokog napona armirano-betonski stubovi se ne upotrebljavaju zbog pretjerane težine i teškoća vezanih za njihov transport. Armirano betonski stubovi se rade od betona i čeličnih žica. Veoma su trajni, pod uslovom da su dobro izvedeni. Vijek trajanja armirano-betonskih stubova je oko 50 godina. Ovi stubovi su istovremeno lahki za održavanje. Armirano-betonski stubovi se, po pravilu, ukopavaju pomoću betonskih temelja. Temeljni blok izliva se sa rupom u koju se smjesti i učvrsti stub. Na slici II su date tipične siluete armiranobetonskih stubova.
5
3.3.ČELIČNO-REŠETKASTI STUBOVI: Čelično-rešetkasti stubovi imaju najširu primjenu. Koriste se u mrežama višeg srednjeg napona, odnosno mrežama 35 kV, a zatim i u mrežama visokog napona: 110, 220, 400 kV i više. Rijetko se mogu sresti u mrežama srednjeg napona 10 i 20 kV. U niskonaponskim i srednjenaponskim mrežama koje su izrađene sa drvenim ili armirano-betonskim stubovima često se pojedini specijalni stubovi kojima se realizuje ukrštanje sa putem, prugom, drugim nadzemnim vodom ili premošćenje jaruge ili rijeke grade kao čelično-rešetkasti. Čelično-rešetkasti stubovi se rade od čelika. Sastavi na rešetki se zavaruju i u komadima pogodnim za transport dopremaju na određena mjesta. Dalje se spajaju vijcima. Radi zaštite od korozije, moraju se premazivati. Da bi se izbjeglo često premazivanje, odnosno smanjili troškovi održavanja, vrši se vruće pocinčavanje. Vijek trajanja im je 50 godina. Neke tipične siluete čelično-rešetkastih stubova date su na slici III. Pored prikazanih tipova čelično rešetkastih stubova, danas se rade i mnogi drugi oblici, kojima se između ostalog teži zadovoljiti urbanističkim zahtjevima za što bolje uklapanje u ambijent. Čelično-rešetkasti stubovi se, po pravilu, ne ukopavaju direktno u zemlju. Za njih se prave temelji od armirano-betonskih blokova iz jedno ili četiri dijela (za svaki čelični nogar po jedan).
6
Na slici IV. prikazani su noseći čelično-rešetkasti stubovi za napone 35, 110 i 220 kV koji su najčešće korišćeni kod nas. Na slici su date i osnovne dimenzije stubova. Čelično-rešetkasti stubovi se primjenjuju i za veoma visoke napone. Na slici V. su prikazana dva tipa čelično-rešetkastih stubova za napon 700 kV. Konkretno na slici V.a je prikazan stub primjenjen u 735 kV mreži Kanade, a na slici V.b stub primjenjen u 750 kV mreži u Finskoj. Treba uočiti značajnu razliku u težini ove dvije konstrukcije, prva 25 t, a druga 10,5 t.
7
Čelično-rešetkasti stubovi se grade i za dvostruke vodove, kod kojih na stubovima imamo dva voda (dva puta po tri faze). Ovakvi vodovi zauzimaju manje prostora nego dva odvojena voda, a i znatno su jeftiniji, pri čemu je snaga prenosa ista. Ovo su osnovni razlozi primjene dvostrukih vodova, odnosno dvostrukih stubova koji nose njihove provodnike. Na slici VI su prikazana neka karakteristična rješenja dvostrukih čelično-rešetkastih stubova.
Na slici VIII je prikazan čelično-rešetkasti stub koji nosi dvostruke vodove tri različita naponska nivoa. Praktično, ovim rješenjem je "objedinjeno" 6 vodova: dva voda napona 380 kV, dva voda napona 220 kV i dva voda napona 110 kV. Vodovi višeg napona smješteni su iznad vodova nižeg napona. Provodnici vodova 110 kV su jednostruki, provodnici voda 220 kV su sa dva, a provodnici 380 kV voda sa četiri provodnika u snopu po fazi.
8
Ovakvim rješenjem maksimalno se štedi prostor, a omogućava prenos ogromnih količina električne energije.
4.UPOREĐENJE STUBOVA S obzirom na materijal za izradu stubova i njihov vijek trajanja možemo ih uporediti. Prije nego pristupimo upoređenju iznijet ćemo neke podatke o betonskim stubovima, koji se u najnovije vrijeme mnogo primjenjuju u elektrifikaciji. U našoj zemlji su skoro svi gradovi i veća mjesta elektrificirani. Elektrifikacija sela već uzima krupan zamah. Grade se seoske mreže niskog napona i kraći dalekovodi (kao priključci) napona 6 i 10 kV, a isto tako i transformatorske stanice. Elektrifikacija sela treba da se obavi sa manje troškova, nego do sada i, zato treba tražiti nova rješenja.Time bi se postiglo sniženje cijene kilovat sata (kWh) za seoskog potrošača.Poznato je da su na selu mali potrošači, a mali faktor opterećenja povećava cijenu koštanja električne energije. Kod nas se za mreže niskog napona po selima pa i varošima, upotrebljavaju drveni neimpregnirani stubovi. Ti stubovi su većinom nedovoljno suhi (sirovi) hrastovi i traju vrlo malo, tj. oko 5 do 8 godina. Ako su,pak impregnirani jelovi ili smrekovi, njihov vijek trajanja takođe ne odgovara, kad se uzmu u obzir troškovi impregniranja. Ovo je glavni uzrok veoma visokih godišnjih troškova održavanja ovih mreža na selu i po manjim varošima. Upoređujuci ukupne troškove cijele mreže, samo za stubove, troškovi iznose 40 do 50%. Što se tiče betonskih stubova, kod nas je opšte mišljenje da nisu ekonomični za mreže niskog napona. 9
Da takvo mišljenje nije sasvim tačno, navodimo primer Švajcarske, gdje se upoređuju troškovi mreža niskog napona sa betonskim i impregriranim drvenim stubovima.
Tablica upoređenja godišnjih troškova u procentima (napon mreže 380 V): Betonski stubovi 50 god. Amortizacija % Kamata % Troškovi pogona % Troškovi održanja % Upravni troškovi %
0,65 4,0 0,3 0,5 0,5
Drveni stubovi 22 god. 2,92 4,0 1,0 1,0 0,8
Podaci su uzeti iz časopisa Elektroprivreda br. 5-6, 1960. 'god., str. 270, ing. Mladen Dokmanić. Kako vidimo iz tablice, pretpostavljeno je da je vijek trajanja betonskog stuba 50 godina, a drvenog impregniranog 22 godine. Zaista betonski stubovi su skuplji za oko 30 %, ali su godišnji troškovi manji za 10% od mreža sa drvenim stubovirna. Ako bi se, seoska mreža izvodila sa betonskim stubovima umjesto sa drvenim, potrebno bi bilo da se betonski stub konstruktivno predvidi tako, da bude manjeg obima od drvenog, zatim da je lagan i pogodan za transport i montažu. Dužina takvih stubova mogla bi biti i preko 9 metara, te bi ih upotrijebili i za veće raspone od 35 metara, tj. i do 45-50 metara. Za takav stub nije potrebno promeniti temelj, već se jednostavno ukopa. Prema naprijed izloženom možemo ih uporediti: a) U estetskom pogledu drveni stubovi su veoma neugledni u poređenju sa gvozdenim i armirano-betonskim, a armirano-betonski su u estetskom pogledu bolji i od gvozdenih; b) Prema vijeku trajanja drveni stub traje najmanje, za njim dolazi gvozdeni, dok armiranobetonski stub traje najviše. Dobro impregrirani drveni stub traje do 20 godina, gvozdeni do 50 godina, a armirano-betonski i preko 50 godina; c) što se tiče pogonske sigurnosti, drveni stubovi su najslabiji, jer truhnu. Zatim mogu se zapaliti usljed požara na terenu ili usljed udara groma. Međutim, gvozdeni stubovi su sigurniji u pogonu od drvenih, dok su armirano-betonski stubovi najsigurniji d) Upoređenje ekonomičnosti. Drveni stubovi su, prema cijeni koštanja, najjeftiniji, ali im je održavanje u liniji mreža najskuplje. Gvozdeni su, po cijeni koštanja najskuplji. Uzevši u obzir i transport, cijeni se da su u pogledu ekonomičnosti najpovoljniji armiranobetonski stubovi, a isto tako imajući u vidu i održavanje linija električnih vodova sa betonskim stubovima kod mreža niskog i visokog napona (dalekovodi),
10
e) Sila naprezanja i visina. Upoređujuci stubove prema sili naprezanja, utvrđeno je, da su drveni stubovi najslabiji, a gvozdeni i armirano-betonski mogu izdržati velike sile naprezanja i mogu se primijeniti sa većim dužinama, tj. visoki stubovi.
5.IMPREGNIRANJE DRVENIH STUBOVA Za izradu drvenih stubova služe uglavnom smreka, jela i bor, a upotrebljavaju se hrast i bagrem. Drveni komadi odabrani za stubove treba da su ravni i da se ravnomjerno sužavaju od debljeg kraja ka vrhu stuba. Drvo odabrano za stubove sječe se od oktobra do februara. Sječa se vrši testerom. Pošto se stabla obore, očiste se od grana i čvorova, a zatim se oguli kora i urube potrebne duzine. Skladiraju se u vitlove sa većim međusobnim prostorom. Ispod vitlova se postave podloge, da drvo ne leži na zemlji. Pripremljeni vitlovi stabla (stubovi) ostave se da se suše godinu dana, a i više, npr. jednu i po godinu. Da bi se sprijecilo brzo truhljenje ovako pripremljenih stubova, isti se impregniraju pomoću raznih hemikalija. Impregniranjem se produži vijek trajanja drveta. Stub najviše truhli u pojasu od oko 50 cm na dijelu kod zemlje tj. 20 cm ispod i 30 cm iznad zemlje. Postoje razna impregniranja od kojih ćemo spomenuti sljedeće: 1. Najstariji način impregniranja je pomoću plavog kamena CuSO 4.Ovaj način je dobar za sve vrste drveta. U svježe prosječeno i neoguljeno drvo utisne se sa deblje strane hidrostatičkim pritiskom 1,5% rastvora plavog kamena dotle, dok se ne pojave kapljice na drugom kraju drveta. Impregniranje traje 6 dana. Poslije 2 do 3 sedmice kora se oguli i ostavi da se suši oko 4 sedmice. Ovo impregniranje je tzv. buherizovanje. Sljedeća impregniranja zahtijevaju da stubovi budu bez kore (oguljeni) i dovoljno suhi, tako da sadrže najviše do 15% vlage. 2. Impregniranje sublimatom HgCI2 (kijaniziranje). Postoji više metoda impregniranja sublimatom: METODA 1: U betonskim kadama se nalazi rastvor sublimata 0,7.%. Stabla igličastog drveća se polože u kadi, da leže 7 do 14 dana. Poslije toga se rastvor ispusti iz kada, a stubovi se operu (isplaknu) čistom vodom, izvade i prosuše. Da bi impregniranje uspjelo potrebno je da drvo upije (primi) najmanje 0,7 kg/m 3 sublimata. To je normalno kijaniziranje. Kade treba da budu iznutra obložene zaštitnim premazom. METODA 2: U betonskoj kadi se stubovi podvrgnu parenju zagrijanom parom na 95°C, koje traje jedan dan (24 sata). Poslije toga zagrijani stubovi se izlože dejstvu rastvora sublimata u istoj kadi, gdje ostaju 2 dana. Stubovi treba da upiju (prime) oko 1,5 kg/m 3 sublimata. Ovaj postupak se naziva jako kijaniziranje. METODA 3: Suhi jelovi i smrekovi stubovi postave se u autoklav. Autoklav se ispumpa (vakuum) i stubovi se izlože parenju, što traje oko 2 sata. Poslije toga se bezvazdušni 11
(vakuum) autoklav napuni rastvorom, koji se utiskuje u drvo do 8 sati pod pritiskom od 8 atmosfera (atp). Na taj način drvo primi i do 150 1/m 3. Ovaj postupak naziva se kijaniziranje pod pritiskom. 3. Impregriranje kreozotom (kreoziranje).Kreozot je ulje dobiveno iz uglja. Kreoziranje se smatra jednom od najboljih zaštita drveta od truhljenja. Kod smreke i jele postoji ispod like jedan slabo propustljiv sloj.Zbog toga se stubovi od ovog drveća prije impregniranja izbodu u dubinu oko 70 mm u dijelu stuba 50 cm ispod površine i iznad površine zemlje. Rupice napravljene u drvetu su prečnika oko 5 mm. Najstarija je Betel metoda impregriranja. Po toj metodi se suhi stubovi pare u autoklavu pomoću zagrijane pare do 120 °C. Poslije toga se autoklav ispumpa (vakuum) i nalije vrelim uljem, koje se pod pritiskom pare do 8 atmosfera (atp) utiskuje u drva dotle,dok drvo ne primi do 300 kg/m3. Stubovi se danas impregniraju rentabilnije na taj način, što se u njima ostavi vazduh, a ulje prodre u drvo samo nekoliko cm, čime se postiže manji utrošak ulja, tj. do 140 kg/m3. Suhi borovi stubovi se naslažu u autoklavu, zatim se utisne u iste vazduh pod pritiskom od 4 atmosfere (atp) i odmah zatim se utisne vrelo ulje pod pritiskom 8 alp. Poslije impregniranja se ispusti višak ulja, ili, pak, odstrani isisavanjem vazduha. To je Ripingova metoda. Postoji još jedan metod impregniranja: u autoklavu se, sa naslaganim suhim stubovima, utisne vrelo ulje 1000 °C pod pritiskom 6,5 do 8 alp, poslije toga se ulje ispusti a stubovi se suše u autoklavu sa vrelim vazduhom 850 °C pod pritiskom 4,5 atp. To je Ritgersova metoda. Potpuno se slično radi i u Americi, samo čim se ispusti ulje, brzo se uspostavi vakuum i ukloni višak ulja. U Francuskoj se stubovi impregniraju po metodi Ripinga u autoklavu katranjivim uljem oko 60 kg/m3. U Francuskoj se smrekovi stubovi impregniraju jednostavnije (metoda Estrade). Suhi stubovi se suše u sušari sa zagrijanim vazduhom na 90° C dotle, dok ne ispucaju. Zatim se postave u autoklavu u kome se proizvede vakuum 0,1 alp i onda se ubaci u autoklav vrelo ulje pod pritiskom od 8 alp. Stubovi prime ulje oko 140 kg/m 3 i tek poslije toga se vakuumom smanji ulje na 120 kg/m3. Iako su stubovi ispucali, njihova čvrstoća nije umanjena, jer katran potpuno zatvori sve pukotine i prodre duboko u tkivo drveta, tako da ih ne treba probadati u pojasu 50 cm ispod i iznad zemlje. U Kanadi se stubovi impregniraju fenol pentahloridom natapanjem pa čak i običnim premazom. Pentahlorid se u vodi ne rastvara i ne prima je. Impregniranje stubova se vrši i pomoću metalnih soli, kao što je cinkani hlorid ZnCl2, natrijum fluorid NaFl, arsenove soli i s1.
6.NOGAVICE KOD DRVENIH STUBOVA I NJIHOVA PRIMJENA
12
Nogavice možemo drugačije nazvati i nogare. To su dijelovi stuba koji se ukopaju u zemlju, a na dio iznad zemlje postavlja se drveni stub, koji se zavrtnjima pričvrsti na nogavici iznad zemlje. Primena nogavica je raznovrsna. Nogavka se primenjuje u slučaju kada je drveni stub neimpregniran, dok deo u zemlji - nogavica mora biti impregnirana, da bi imala duži vijek trajanja. Neimpregnirani dio stuba podignut je od površine zemlje i tako obezbijeđen od brzog truhljenja. Isto tako nogavica se često primjenjuje, kada je određeni direk za stub kratak, nema dovoljnu dužinu, ili, pak, postoje drveni stubovi ali su kratki za liniju, recimo dalekovoda; u tom slučaju primjenjujemo nogare - dio stuba u zemlji i takozvani jarbol, dio stuba iznad zemlje, koji je sa nogarom spojen sa po tri zavrtnja i buldog pločom. Nogavice se grade i od profilisanog čelika profila U. Čelične nogavice se najviše primjenjuju u varošima, gdje je stub postavIjen na betonskom trotoaru sa asfaltom. Ovakva nogavica je veoma podesna, jer drveni stubovi čim počnu da truhnu, zamjenjuju se novim stubovima, dok se čelicna nogavica ne mijenja i time se uštedi na raskopavanju trotoara i ponovnom asfaltiranju a i ulični saobraćaj se ne ometa. Jednostavno se dopremi novi stub, stari se demontira, a novi se uspravi i zategne zavrtnjima na postojećoj nogavici. Takođe su u primjeni i betonske nogavice, koje se u najnovije vrijeme vrlo mnogo upotrebljavaju naročito kod linija dalekovoda do 35 kV. Slika 7 predstavlja drveni neimpregnirani stub za mrežu niskog napona, koji je montiran na drvenim nogavicama od impregniranog drveta. Nogavice su ukopane u dubini najmanje 1,6 metara, a u svom donjem kraju, u zemlji, povezane su drvenom prečagom pomoću zavrtnjeva. Iznad zemlje, između nogavica, ukliješten je stub i učvršćen sa tri zavrtnja bez buldog ploče. Dimenzije zavrtanja su 3/4". Nosivost zavrtnja od 3/4" je: Površina presjeka: Sila nosivosti:
Sz =
1, 92 ∙3,14 =2,83 cm2 , 4
F z=σ ∙ S z=500 ∙ 2,83=1415 kg .
Prema tome ukupna nosivost je Fu= 3 ∙ 1415 = 4245 kg,i izračunava se iz sile zatezanja provodnika i vertikalnih sila. Na slici 8 predstavljen je jedan stub za vod visokog napona od 10 kV. Stub je iz dva dijela, tj. nogare (nogavice) i gornjeg direka zvanog jarbol. Nogara je dužine 3,5 m, a jarbol 9 m. Tako je visina stuba iznad zemlje 9,10m.
13
Silu nosivosti zavrtnja uzeli smo kao primjer. Ona može da bude i veća, npr.: 650 x 2,83 = 1839,5 kg a 2 zavrtnja imaće silu nosivosti 3679 kg. Ukupna sila nosivosti zavisi od sile u direku i od vertikalnih sila, što predviđena veza jarbola i nogara može potpuno zadovoljiti za linijski stub, koji nosi teret opreme i izdržava bočni pritisak vjetra na liniji.
14
Slika 10 predstavlja drveni impregnirani stub sa čeličnim nogavicama profila U, koje su postavljene u betonskom temelju, čije se dimenzije određuju prema kvalitetu zemlje, a na osnovu sila koje djeluju na samom stubu. Dužina nogavica iznad zemlje iznosi oko 1,20 m dok je donji dio stuba udaljen od zemlje 20 cm, te se time sprečava truhljenje stuba iznad same zemlje, gdje je izložen najjačem truhljenju. Slika 11 predstavlja betonske nogavice u kojima je uklješten drveni stub za vodove visokog napona od 10 kV. Donji dio stuba je iznad zemlje oko 20 cm. Betonske nogavice su u zemlji; pri dnu učvršćene međusobno zavrtnjem, dok je stub povezan sa nogavicama iznad zemlje sa dva zavrtnja. Zavrtnjevi su 7/8" čiji je prečnik 22 mm. Proizvođac ovih nogavica je fabrika "Beton", Novi Sad. Iste nazivaju još i Riterova kliješta. 15
Slika 12 predstavlja dimenzije jedne nogavice sa presjecima I-I; II-II i III -III. Dva komada ovakvih nogavica sačinjavaju cjelinu za jedan stub (kliješta). Da bi se spriječilo preturanje stuba, odnosno da ukopavanje stuba sa betonskim nogavicama bude sigurno, primjenjuju se betonske ploče sa uzengijama. Proračunom sila, koje se javljaju u stubu, donosi se odluka o primjeni pomenutih betonskih ploca na dnu jame ukopanog stuba.
Slika 13 predstavlja zatezni stub sa betonskim pločama, koje su postavljene na dnu jame ukopa ispod betonskih nogavica.
16
Slika 14 pokazuje dimenzije betonske ploče i njeno učvršćenje sa betonskim nogavicama. Uz betonsku ploču postoje i gvozdene uzengije, koje služe za povezivanje ploče sa nogavicama pomocu zavrtnja 7/8".
7.MEHANIČKI PRORAČUN DRVENIH STUBOVA Kod vazdušnih električnih vodova stubovi i oprema su izloženi dejstvu raznih sila. Pomenute sile su sljedeće:
17
A. Vuča provodnika, tj. zatezanje u provodniku, koje može da savije stub pa i da ga prelomi, kada se prekinu provodnici s jedne strane stuba (susjedno polje raspona). Na slici 15 vidi se naprezanje stuba koji se pod dejstvorn sile F savije, kada se u susjednom polju raspona stuba prekinu provodnici. Tada se pojavi maksimalna sila F na dotičnom stubu i može izazvati velike poremećaje na liniji elektrovoda. Stub (b) se najviše savije, čak može i da se prelomi, a sljedeći stubovi, prema slici 15, iduci desno, takođe će se savijati sve manje i manje, te će se dejstvo sile prenositi sa manjom silom zatezanja idući desno od prekida provodnika možda čak na oko 10 do 12 stubova. Na taj način linija elektrovoda sa izazvanim poremećajem pričini kvar koji nam uslovljuje opravku dugog trajanja.
B. Dejstvo vjetra na stub. Kad vjetar duva, vrši svojim dejstvom pritisak na površinu okruglog drvenog stuba i time ga savija. Dio stuba iznad zemlje izložen je pritisku vjetra, kao što je na slici 16 predstavljeno. Rezultanta tih sila pritiska je Fv. Posmatrat ćemo dejstvo vjetra i na izolatore i konzole, a kod bočnog djelovanja uzimamo još i pritisak vjetra na provodnike u polju raspona, što je za proračun stubova i odlučujuće. Bočno znači pritisak vjetra pod pravim uglom na liniju elektrovoda. C. Vertikalne sile. U vertikalne sile, koje se javljaju u stubu, spadaju težine provodnika, leda, inja i snijega, nosača sa izolatorima, montirane konzole, težina samog stuba i najzad težina montera sa njegovom opremom. Sve ove sile izazivaju vertikalan pritisak na zemlju ispod ukupnog stuba, te se na osnovu toga kontroliše nosivost.
18
8.LINIJSKI STUB Kao što je ranije istaknuto, ovaj stub nosi cjelokupnu opremu vazdušnog elektrovoda. Stub (sl. 17) je za elektrovod visokog napona i na istom imamo 3 provodnika istog presjeka. Ako pretpostavimo da je zatezanje u provodnicima samo sa jedne strane stuba, dobit ćemo silu vuče provodnika Fpr koja djeluje na stubu u sredini vješanja provodnika. Rastojanje te sile od nivoa zemlje je hm. Dužina stuba iznad zemlje je H i ista je izložena dejstvu vjetra. Ukupna dužina stuba je L, a ukopani dio stuba je t (dubina jarne). Prečnici stuba: u vrhu d1, u nivou zemlje dz, i na donjom kraju u zemlji d3. Dimenzije L, H, t i hm su u metrima, a prečnici stuba u cm, koji su po potrebi kod proračuna pretvaraju u metre, što ce biti istaknuto kod primjera brojčanog proračuna stuba. Rezultanta sila zatezanja provodnika Fpr svojim dejstvom izaziva moment savijanja u ravnini zemlje posmatrano u pravcu voda. M fpr =F pr ∙ hm (kgm) Pored sile zatezanja provodnika u pravcu linije elektrovoda, na stub djeluje i vjetar u pravcu sile zatezanja provodnika. Prema najnovijim propisima (Službeni list FNRJ od 16. juna 1960. g.) uzima se pritisak vjetra 50 kg/m2 za sve vodove čija visina iznad zemlje ne prelazi 15 metara sa koefieijentom 0,7 za okrugle stubove. Sila pritiska vjetra na stub je: F vs=0,7 ∙ 50 ∙
d 1 +d 2 ∙ H (kg) 2
Pošto je pritisak vjetra 50 kg/m2, to se veličine d1 i d2 moraju uzeti u metrima pri proračunu. Sila pritiska na izolatore je: F vi=Piz ∙50(kg) Piz je površina izolatora izložena vjetru u m 2. Sile vjetra izazivaju momenat savijanja u ravnini zemlje: H M fv =F vs ∙ + F vi ∙ hm (kgm) 2 Ukupan momenat savijanja Mfu = Mfpr + Mfv. Prethodno utvrđene momente savijanja možemo izložiti razvijeno u detaljnije, tj.
19
M fu =( 3 ∙ s ∙ σ + F vi ) ∙ hm + F vs ∙
H ( kgm ) ili 2
M fu =( n ∙ s ∙ σ ∙ Piz ∙ 50 ) ∙h m +0,7 ∙50 ∙
d1 + d1 H ∙ H ∙ (kgm) 2 2
Gdje je: -(n) broj provodnika, -(s) presjek provodnika mm2, -(σ) zatezanje provodnika kg/mm2. Poznato je iz mehanike, da je Mf= σf W, gdje je σ dozvoljeno naprezanje na savijanje, a W otporni momenat presjeka stuba u ravnini zemlje, jer je momenat savijanja računat kod ravnine, zemlje, tj. tamo gdje stub napušta zemlju. Stub je okruglog presjeka, te je dozvoljeno naprezanje na savijanje 100 ∙ M fu 100 ∙ M fu kg σ f= = ( ) W 0,1 ∙ d 32 cm 2 Kako vidimo Mfu smo pomnožili sa 100, da bi dobili momenat savijanja u kgcm a d2 isto u cm jer se σf izražava u kg/cm2. Dozvoljeno naprezanje na savijanje za mehko drvo je 150 Kg/cm 2, a za tvrdo drvo 190 Kg/cm2. Prethodni proračun je izveden uz pretpostavku da su svi provodnici s jedne strane stuba prekinuti, a to bi značilo da ovakav stub treba da bude zatezni stub. Posto je ovaj stub običan linijski stub, koji se postavlja u pravoj liniji elektrovoda, kod kojeg je istovjetno zatezanje provodnika sa obe strane stuba, tj. Fpr1= Fpr2, te je rezultanta vuča provodnika : F=F p 1−F p 2=0 Sila pritiska vjetra na stub je: F vs=0,7 ∙ 50 ∙
d 1 +d 2 ∙ H (kg) 2
Sila pritiska vjetra izaziva momenat savijanja u ravnini zemlje: M fvs=0,7 ∙ 50 ∙
d 1 +d 2 H ∙ H ∙ (kgm) 2 2
Sila pritiska vjetra na provodnike je: F vpr=∑ (n ∙ d)∙ a ∙1 ∙50( kg)
20
Gdje je: -(n)- broj provodnika, -(d)-prečnik provodnika izražen u metrima, -(a)- raspon stubova u metrima, -(l)-koeficijent delovanja vjetra na provodnike ravan jedinici. Prema slici 18, vjetar, vršeći pritisak na stub br. 2, pritiskuje i na provodnike u rasponima lijevo i desno od stuba br. 2. a taj se pritisak sa provodnika prenosi na stub br. 2
Momenat savijanja sile na provodnike je: M fvpr =F vpr ∙ hm (kgm) Ukupan momenat savijanja je Mfu= Mfvs + Mfvpr (kgm) a dozvoljeno naprezanje na savijanje u ravni zemlje je: σ f=
100 ∙ M fu 100 ∙ M fu kg = ( ) W 0,1 ∙ d 32 cm 2
Gdje je otporni moment: 3,14 ∙ d 3 W= ≈ 0,1 d 3 32
8.1.TEMELJI (FUNDAMENTI) Dubina jame ukopavanja stuba treba da bude najmanje 1/6 ukupne dužine stuba. Zbog toga se predviđa najmanja dubina ukopavanja 1.6m za stubove vodova niskog napona, a za stubove
21
vodova visokog napona 1,8 rnetara. Kod nosećeg stuba djeluje ukupna vertikalna sila na površinu zemlje u jami ispod površine naleganje samog stuba na dnu. Ta površina iznosi: S=
π ∙ d 23 2 (cm ) 4
Gdje je: -d3 -prečnik stuba u cm na donjem krajnjem dijelu, kojim vertikalno vrši pritisak na zemlju.
Pritisak na zemlju: Q 4 ∙Q σ= = S π ∙ d 23
Ako je teren rovit i slabe nosivosti, tada se moraju na dnu ispod stuba postaviti, po potrebi, i sipovi koji se spuste do zdravice. Na normalno zdrav teren, kontrola ovog dozvoljenog vertikalnog pritiska nije od naročite važnosti, već je mnogo važnija kontrola bočnog pritiska na zemlju. Bočni pritisak u jami ukopa stuba zavisi od momenta sila savijanja, koji se javlja kod stuba. Pretpostavlja se, da čvrstoća zemlje raste sa dubinom ukopa, dok zbijenost zemlje opada sa dubinom. Utvrđeno je, da se stub prevaljuje oko tačke na 2/3 dubine ukopa, mjereno odozgo sa površine zemlje, te je specifični pritisak na zemlju izražen pomoću parabole sa tjemenom na 1/3 dubine, posmatrano odozgo, što pokazuje slika 19 pod b).
Da bi postojala ravnoteža, potrebno je da momenat pritiska zemlje bude ravan momentu sile dejstva na stubu. Prema tome, najveći pritisak na zemlju jame-ukopa je na donjem dijelu jame. Taj pritisak se izračunava po obrascu: 12∙ M fu kg σt = ( ) d sr ∙t 2 cm2 Gdje je: -σz -bočni specificni pritisak na zemlju, -dsr-srednji precnik stuba ukopanog dela d2+ d3 /2 u cm, 22
-t-dubina jame ukopa u cm -Mfu-ukupan moment sila na savijanje u kg/cm. Tablica nosivosti zemlje za proračun temelja: Vrsta tla Treset blato Humus,oranice,vinogradi Nasipi od lake zemlje Vlažak sitan pjesak,meka vlažna ilovača ili glina Srednječvrsta suha ilovača ili glina Čvrsto staložena suha ilovača ili glina Čvrsto staložen krupan zrnast pijesak
Zapreminska težina kg m3 650 1500 1600 1700
Dozvoljeni protisak na tlo kg/cm2 Do 0,2 Do 0,5 Do 1,0 Do 1,0
1700
Do 2,0
1700
Do 3,0
1700
Do 4,0
U slučaju trošne zemlje, a da bi se postigla potrebna stabilnost stubova može se stub ukliještiti u tlo pomoću dva vijenca od krupnog, čvrstog kamena ili pomoću drvenih oblica.
9.DIMENZIONISANJE DRVENIH A-STUBOVA Drveni A-stubovi su uvijek zatezni stubovi. Prema namjeni mogu biti: rasteretni, krajnji i kutni.Na slici je prikazan osnovni oblik A-stuba:
23
Sile zatezanja vodiča su različite po vrijednosti za rasteretne,krajnje i kutne stubove. Rasteretni stub se proračunava na 2/3 sile zatezanja vodiča,koja se javlja kada se prekine 2/3 svih vodiča s jedne strane stuba.Krajnji stub je,međutim,opterećen silom zatezanja svih vodiča.Silu zatezanja vodiča kod kutnih stubova odredićemo pomoću slike ispod.Kutni stub se inače postavlja na onim mjestima gdje trase dalekovoda skreće za ugao veci od 5°.
Rezulantna sila zatezanja kutnog stuba iznosi: Fr =2 ∙ F ≈ ∙ sin
β (kp) 2
Gdje je: F1-sila zatezanja svih vodiča s jedne strane stuba. Očigledno je da je rezultantna sila zatezanja kutnih stubova utoliko veća ukoliko je ugao α veci. Zbog toga propisi preporučuju da se na vodovima sa visećim izolatorima ne upotrebljavaju noseći kutni stubovi,nego samo zatezni stubovi,ako je ugao veci od 20°. Razmak između zateznih stubova (dužina zateznog polja) po pravilu ne smije biti veći od 5km i ne smije obuhvatiti vise od 30 raspona. Kraća zatezna polja primjenjuju se tamo gdje prilike na trasi to zahtijevaju (težak teren,prelazak,prelazi preko komunikacija, veći broj skretanja od pravca trase itd.) Sila zatezanja napreže jedan krak A-stuba na izvijanje.Naprezanje na izvijanje racunamo prema formuli: ω ∙ F kp σ i= ( ) s cm 2 Gdje je: -ω-koeficijent izvijanja -F (kp)-najveci aksijalni pritisak -s (cm2)-neoslabljeni presjek stuba Najveći aksijalni pritisak računamo po formuli: F=
M (kp) e
Gdje je:
24
-M (kpcm)-momenat savijanja sila pritiska vjetra na vodiče i na stub i sila zatezanja vodiča oko momentne tačke na polovini dubine ukopavanja; -e (cm)-razmak između tačke uklještenja u zemlji. Koeficijent ω se određuje s obzirom na vitkost stapa λ.Ako je vitkost λ≤75,koeficijent ω se određuje prema formuli: 1 ω= 2 λ 1−0,8 100
( )
A ako je vitkost λ>75,koeficijent ω se određuje prema fomuli: 2
ω=
λ 3100
Vitkost običnog stuba računamo po formuli: L λ= i i
Gdje je: -Li-dužina izvijanja -i (cm)-radijus inercije i=
√
I (cm) s
Gdje je: -I (cm4)-Moment inercije presjeka stuba u pravcu izvijanja za koje je računata dužina izvijanja L i.
-s (cm2)-površina presjeka bez obzira na mala lokalna oslabljenja. Kao dužina izvijanja Li uzima se za ukopane A-stubove razmak od sredine klina na vrhu do polovine ukopane dužine stuba. Naprezanje na izvijanje, ne smije biti veće od dozvoljenog naprezanja na pritisak. (110 kp/cm2 za meko drvo I 120 kp/cm2 za tvrdo drvo).
10.DIMENZIONIRANJE PODUPRTIH I USIDRENIH DRVENIH STUBOVA Poduprti stubovi se primjenjuju samo u niskonaponskim električnim mrežama. Postavaljaju se u tačkama skretanja trase (lom trase) niskonaponskih vodova, te na taj način zamjenjuju znatno skuplje kutne stubove.Postavljaju se također i na kraju voda kao krajnji stubovi.Poduprti stub se 25
sastoji od stuba i podupiraća.Na slici ispod pod a) je prikazana izvedba poduprtog stuba sa uobičajenim dimenzijama,a pod b) djelovanje sila zatezanja na poduprti stub.
Stub je podupiračem ukliješten u zemlju. Silu u podupiraču dobijemo pomoću izraza: Fp=
Fr b ∙ 1+1,5 (kp) sin α a
(
)
Gdje je: -Fr(kp)-rezultantna sila zatezanja vodiča. Sila F' je horizontalna komponenta sile Fp u podupiracu. Podupirač okruglog presjeka dobro je dimenzioniran ako je promjer podupirača veći od minimalno potrebnog promjera,koji je dat izrazom: 4
d=0,078 ∙ √ F pl ∙ l p 2
Gdje je: -lp(cm)-dužina podupirača. Usidreni stubovi se primjenjuju uglavnom u niskonaponskim mrežama za elektrifikaciju sela. Na slici ispod pod a) je prikazana izvedba usidrenog stuba s uobičajenim dimenzijama,a na slici pod b) djelovanje sila zatezanja vodiča na usidreni stub.
26
Sila zatezanja čeličnog sidra data je izrazom: F=
Fr b ∙ 1+1,5 ( kp) sin α a
(
)
Gdje je: -Fr-rezultanta sila zatezanja vodiča Sidro se izvodi od pocinčanog čeličnog užeta. Minimalni presjek užeta je 25 cm2,a najmanji promjer je 2mm.Obično se upotrebljava čelik (Č.0360) čije dozvoljeno naprezanje na zatezanje iznosi 1550 kp/cm2.Sidro od ovog pocinkovanog čelika je dobro dimenzionirano ukoliko je promjer sidra veći od minimalno potrebnog promjera,koji je dat izrazom: d s =0,3 √ F s (mm)
Gdje je: -Fs-(kp)-sila zatezanja čeličnog sidra.
11.ZAKLJUČAK: Pod stubom podrazumijevamo svaki drveni, čelicni ili betonski, pa i aluminijski predmet određene dužine,ukopan u zemlju koji nosi nadzemni električni vod. Stubovi smanjuju mehaničku opterećenost kabla i omogućavaju dovod struje u udaljena mjesta. 27
Mogu se svrstati na više grupa tj. prema građi, prema ekonomičnosti, prema funkciji, prema vijeku trajanja itd. Stubove prije upotrebe treba pripremiti da što duže traju, tako se drveni stubovi se moraju zaštititi od trulenja (impregniranjem).Nogavice su dijelovi stuba koji se zakopavaju i na koje se stub pričvrsti zavrtnjima, primjenjuju se na drvenim stubovima .Stubovi moraju biti jake građe jer mnoge sile djeluju na njega, tako mnogi stubovi podlegnu tim silama i lome se, sto dovodi do gubitka struje. Linijski stub je važan zato što nosi cjelokupnu opremu vazdušnog elektrovoda.Drveni A-stubovi mogu biti:rasteretni,krajnji i kutni. Poduprti kao i usidreni stubovi se primjenjuju samo u niskonaponskim električnim mrežama.Poduprti se primjenjuju u tačkama skretanja trase (lom trase) niskonaponskih vodova, te na taj način zamjenjuju znatno skuplje kutne stubove.
12.LITERATURA Internet Električne mreže za III i IV razred elektrotehničkih škola III izdanje-dip. ing. RAJKO MISITA, prof.
28
29
