Теория и реальное проектирование в Model Studio CS

Степан Воробьев

Дорогие наши проектировщики и специалисты отделов САПР, мы получаем от вас множество писем с вопросами, пожеланиями и мечтами. Многие вопросы касаются не работы программного обеспечения, а расчетных методов и алгоритмов, которые были использованы в Model Studio CS.
Эта статья посвящена расчетам гибкой ошиновки открытых распределительных устройств, реализованных в Model Studio CS ОРУ.

ПУЭ, ТП, СНиП и ответственность

Расчет кривой провисания провода зависит от множества факторов и начинается с расчета нагрузок на провод в зависимости от различного сочетания ветра, гололеда, температуры. Именно от правильности проведенного расчета нагрузок зависит дальнейший расчет монтажных тяжений и стрел провеса.

Методики расчета нагрузок приводятся в различных нормативных документах, которыми руководствуются проектировщики. Как показали проведенные исследования, большинство проектировщиков пользуются типовыми проектами, то есть не считают кривую провисания провода. При выполнении проекта стрела провисания провода (гибкой ошиновки) и тяжение выбираются из таблицы типовых расчетов, и, как правило, никто не задумывается, насколько действителен и применим этот расчет в настоящее время. Многие обосновывают так: вот типовой расчет, выполненный крупным, авторитетным проектным институтом, и мы делаем так, как там указано. Но эти расчеты проводились в 80-90-х годах прошлого века и явно нуждаются в корректировке.

В процессе разработки программного комплекса Model Studio CS ОРУ рассматривались алгоритмы расчета, приведенные в СНиП 2.01.07-85*, ПУЭ-6, ПУЭ-7. Анализ этих документов показывает, что если попытаться произвести расчет, имея одинаковые исходные данные, то результаты могут оказаться разными.

Теперь давайте рассмотрим несколько примеров. Если взять табл. 2.5.3, гл. 2.5 ПУЭ-6, табл. 2.5.3, гл. 2.5 ПУЭ-7 и табл. 11, 12 СНиП 2.01.07-85* (рис. 1), то при беглом сравнении видно, что одним и тем же районам соответствует разная толщина стенки гололеда. Карты районирования, приведенные в ПУЭ и СНиП, тоже различаются. В ПУЭ-7 добавлены дополнительные коэффициенты.

Рис. 1. Гололедные районы в ПУЭ-6, ПУЭ-7 и СНиП

Можно сравнить и климатические районы по ветровому давлению. Ситуация аналогичная.

Так что же брать за основу расчета, какие нормативные документы? Пользоваться типовыми проектами, рассчитанными по старым нормативным документам, или все-таки брать последнее издание, ПУЭ-7, и считать каждый раз при выполнении нового проекта? Решать, конечно, вам, проектировщикам.

Мнения специалистов, к которым мы обратились за разъяснениями, разделились. Одни утверждали, что разница в расчетах невелика и поэтому можно применять значения из старых типовых проектов, другие считали, что нужно перепривязать проекты к действующим нормам. С этим же вопросом мы обратились в центр сертификации программных средств и получили ответ, что сегодня действующим документом является ПУЭ-7 и его нарушение влечет за собой ответственность проектировщиков.

Поэтому программное обеспечение Model Studio CS ОРУ и Model Studio CS ЛЭП выполняет расчеты нагрузок на провод от климатических воздействий в соответствии с ПУЭ-7, что соответствует действующему законодательству Российской Федерации.

Расчет климатических нагрузок в Model Studio CS ОРУ

Расчет климатических нагрузок в программном комплексе Model Studio CS ОРУ начинается с выбора климатического района (рис. 2). База данных Model Studio CS содержит информацию, необходимую для расчетов по основным городам нашей страны. В любом случае при проектировании промышленных объектов необходимо получить точную информацию о климатических параметрах у метеослужбы по месту строительства. Эту информацию можно сохранить в базе данных Model Studio CS, для чего в базе необходимых климатических условий должен быть создан новый климатический район и в него занесены все необходимые для расчета данные. Повторюсь: будет лучше, если данные по климату вы получите от местной метеослужбы.

Рис. 2. Выбор климатического района осуществляется в специальном диалоговом окне

Расчет механических нагрузок выполняется в соответствии с ПУЭ-7. В качестве примера возьмем провод марки АС150/19, II район по гололеду, ветровое давление P = 500 Па, пролет 27,5 м, ячейковый ПЖС110Я1, рассчитаем нормативные нагрузки, а затем сравним результаты программного и ручного расчета.

Нагрузка от собственного веса провода вычисляется в зависимости от материала, из которого он изготовлен, и его конструкции.

P^H_G = G_0g;

P_G = 0,554x9,8 = 5,43 Н/м.

Нормативная ветровая нагрузка на провода и тросы P^H_W, Н, действующая перпендикулярно проводу (тросу), для каждого рассчитываемого условия определяется по формуле:

P^H_W = α_w K_lK_wC_xWFsin²;

P^H_W= 0,71x1,2x1x1,2x500x16,8x10^–3 = 8,588 Н;

Нормативная ветровая нагрузка при гололеде на провода P^H_W, Н, действующая перпендикулярно проводу, для каждого рассчитываемого условия определяется по формуле:

P^H_WГ= α_w K_lK_wC_xWFsin²;

P^H_WГ= 0,94x1,2x1x1,2x240x(16,8+2x1x1x15)x10^–3 = 15,20 Н.

Нормативная линейная гололедная нагрузка на 1 м провода и трос P^H_Г определяется по формуле (Н/м):

P^H_Г = KiKd bэ(d + KiKd bэ)ρg x10^–3;

P^H_Г = 3,14x1x1x15x(16,8 + 1x1x15)0,9x9,8x10^–3 =  13,21 Н/м.

Нормативная нагрузка от веса провода и гололеда рассчитывается по формуле:

P^H_Г+G = 13,21+5,43 = 18,64 Н/м.

Нормативная нагрузка от собственного веса провода и давления ветра определяется по формуле:

P^H_G+W = (P²_G+ P²_W) ^1/2;

P^H_G+W = (5,43² + 8,588²) ^1/2 = 10,16 Н.

Нормативная нагрузка от собственного веса провода, гололеда и давления ветра рассчитывается по формуле:

P^H_G+W = (P²_G + P²_W) ^1/2;

P^H_G+W = (18,64² + 15,20²)^1/2 = 24,06 Н.

Все коэффициенты, участвующие в расчетных формулах, используются в соответствии с ПУЭ-7.
Аналогичные результаты получены в программном комплексе Model Studio CS ОРУ (рис. 3).

Рис. 3. Результат расчета нагрузок в Model Studio CS ОРУ

Расчет тяжений и стрел провеса

Кривая провисания провода может моделироваться уравнением параболы или цепной линии. Использование уравнения параболы помогает упростить моделирование кривой провисания провода при ручном расчете. В программном комплексе Model Studio CS ОРУ кривая провисания провода моделируется цепной линией, которая является более точным методом моделирования. При его использовании кривая провисания провода строится в процессе решения группы нелинейных уравнений методом итераций. Методы решения уравнения состояния провода и построения кривой этого провода — это обычные, всем хорошо известные из высшей математики алгоритмы.

Стандартная поставка Model Studio CS ОРУ настроена таким образом, чтобы выполнять расчеты для 17 режимов различного сочетания температурных, ветровых и гололедных параметров (условий). Эти расчетные режимы при необходимости можно включать и отключать. Кроме того, предусмотрена возможность добавления дополнительных расчетных режимов либо корректировки существующих (рис. 4).

Рис. 4. Режимы расчета провода

Механический расчет проводов производится с учетом механических свойств провода, климатических условий, нагрузок от арматуры крепления, гирлянд изоляторов и прочего оборудования.

Подсистема расчета проводов и тросов работает в режиме реального времени: после отрисовки провода расчет выполняется автоматически и обновляется каждый раз при изменении модели или условий расчета. По результатам расчета строится кривая провисания провода, которая отображается в заданном расчетном режиме. По умолчанию программа выбирает в качестве исходного режима самый тяжелый.

Наряду с подсистемой интер­активного расчета проводов (в реальном времени) на модели в Model Studio CS ЛЭП реализован систематический расчет провода. Как и всё в программе, функционал для систематического расчета провода выполнен просто и удобно, позволяя мгновенно, буквально нажатием одной кнопки просчитывать любой выбранный провод с любым шагом пролета при любых климатических сочетаниях (температура, ветер, гололед) — рис. 5.

Рис. 5. Систематический расчет провода

Пользователи высоко оценили систематический расчет провода Model Studio CS ЛЭП и попросили включить аналогичный функционал в Model Studio CS ОРУ. В следующей версии Model Studio CS ОРУ он будет добавлен в стандартный комплект.

Теперь давайте вернемся к конкретным расчетам. Сравним результаты расчетов тяжений и стрел провеса провода, выполненных в программном комплексе Model Studio CS ОРУ, с расчетами, представленными в типовом проекте.

Исходные данные прежние: провод марки АС150/19, II район по гололеду, ветровое давление P = 500 Па, пролет 27,5 м, максимально допустимое тяжение 2700 Н, тип портала: ячейковый ПЖС110Я1.

Рис. 6. Расчет провода в Model Studio CS

Полученные результаты в соответствии с ПУЭ-7, выполненные в программном комплексе Model Studio CS ОРУ, показаны на рис. 6. На рисунке приведен пример расчета кривой провисания провода при сочетании нормативного ветрового давления и гололеда. Стрела в таком режиме составляет 0,75 м. На рис. 7 приведена таблица из типового проекта — там при таком сочетании климатических нагрузок стрела составляет 0,85 м. Сравнение нескольких режимов приведено в таблице.

Рис. 7. Расчет провода в типовых материалах

Сравнение результатов расчета стрел провеса провода в различных режимах

Как мы видим, результаты расчета, выполненного Model Studio CS в соответствии с ПУЭ-7, несколько отличаются от значений типового проекта. Это обусловлено тем, что в типовых проектах применялись нормативные документы, действовавшие на тот момент и отличающиеся от действующих сегодня.

Несмотря на небольшую разницу в расчетах, использование типовых проектов с заниженной величиной стрелы провеса (по сравнению с текущими нормативами) ведет к ошибкам при проверке габаритов на этапе проектирования, а следовательно, приводит к фактическому нарушению габаритов. Все это, казалось бы, не слишком важно — но только до тех пор, пока не случится техногенная авария по вине проектировщиков.

Заключение

В завершение хотелось бы отметить, что каждый проект индивидуален, тем более что они выполняются в различных климатических районах Российской Федерации. Конечно, если вы постоянно проектируете в одном климатическом районе и выполняете одинаковые по своей сути проекты, то здесь возможно использование предыдущих наработок и речь может идти о типовом проекте. Но в любом случае даже многократно примененные ранее типовые проекты нужно перепроверить и привести в соответствие с действующей нормативной документацией. А Model Studio CS позволяет разрабатывать новые проекты, проекты реконструкции, проверять и перепривязывать типовые проекты.

САПР и графика 7`2009