Содержание:
Один из столпов современной цивилизации – это электроснабжение. Ключевую роль в нем выполняют линии электропередачи – ЛЭП. Независимо от удаленности генерирующих мощностей от конечных потребителей, нужны протяженные проводники, которые их соединяют. Далее расскажем более детально о том, что из себя представляют эти проводники, именуемые как ЛЭП.
Какими бывают воздушные ЛЭП
Провода, прикрепленные к опорам, – это и есть воздушные ЛЭП. Сегодня освоены два способа передачи электроэнергии на большие расстояния. Они основаны на переменном и постоянном напряжениях. Передача электроэнергии при постоянном напряжении пока еще менее распространена в сравнении с переменным напряжением. Это объясняется тем, что постоянный ток сам по себе не генерируется, а получается из переменного тока.
По этой причине необходимы дополнительные электрические машины. А они стали появляться относительно недавно, поскольку в их основе используются мощные полупроводниковые приборы. Такие полупроводники появились лишь 20–30 лет тому назад, то есть примерно в 90-е годы ХХ века. Следовательно, до этого времени уже были построены в большом количестве ЛЭП переменного тока. Отличия линий электропередачи показаны далее на схематическом изображении.
Наибольшие потери вызывает активное сопротивление материала проводов. При этом не имеет значения, какой ток – постоянный или переменный. Для их преодоления напряжение в начале передачи повышается как можно больше. Уже преодолен уровень в один миллион вольт. Генератор Г питает ЛЭП переменного тока через трансформатор Т1. А в конце передачи напряжение понижается. ЛЭП питает нагрузку Н через трансформатор Т2. Трансформатор является самым простым и надежным инструментом преобразования напряжений.
У читателя, мало знакомого с электроснабжением, скорее всего, появится вопрос о смысле передачи электроэнергии на постоянном токе. А причины чисто экономические – передача электроэнергии на постоянном токе именно в самой ЛЭП дает большую экономию:
- Генератор вырабатывает трехфазное напряжение. Следовательно, три провода для электроснабжения на переменном токе нужны всегда. А на постоянном токе всю мощность трех фаз можно передать по двум проводам. А при использовании земли как проводника – по одному проводу. Следовательно, экономия лишь на материалах получается трехкратной в пользу ЛЭП на постоянном токе.
- Электрические сети переменного тока при объединении в одну общую систему должны иметь одинаковую фазировку (синхронизацию). Это значит, что мгновенное значение напряжения в соединяемых электросетях должно быть одинаковым. Иначе между соединяемыми фазами электросетей будет разность потенциалов. Как следствие соединения без фазировки – авария, сопоставимая с коротким замыканием. Для электросетей постоянного тока вообще не характерна. Для них имеет значение лишь действующее напряжение на момент соединения.
- Для электрических цепей, работающих на переменном токе, характерен импеданс, который связан с индуктивностью и емкостью. Импеданс имеется также и у ЛЭП переменного тока. Чем протяженнее линия, тем больше импеданс и потери, с ним связанные. Для электрических цепей постоянного тока понятия импеданса не существует, как и потерь, связанных с изменением направления движения электрического тока.
- Как уже упоминалось в п. 2, для стабильности в энергосистеме нужна синхронизация генераторов. Но чем больше система, работающая на переменном токе, и, соответственно, число электрогенераторов, тем сложнее их синхронизировать. А для энергосистем постоянного тока любое число генераторов будет нормально работать.
Из-за того, что сегодня нет достаточно мощных полупроводниковых или иных систем для преобразования напряжения, достаточно эффективного и надежного, большинство ЛЭП по-прежнему работает на переменном токе. По этой причине далее остановимся только на них.
Еще один пункт в классификации линий электропередачи – это их назначение. В связи с этим линии разделяются на
- сверхдальние,
- магистральные,
- распределительные.
Их конструкция принципиально отличается из-за разных величин напряжения. Так, в сверхдальних ЛЭП, являющихся системообразующими, применяются самые высокие напряжения, которые только существуют на нынешнем этапе развития техники. Величина в 500 кВ для них является минимальной. Это объясняется значительным удалением друг от друга мощных электростанций, каждая из которых – это основа отдельной энергосистемы.
Внутри нее существует своя распределительная сеть, задача которой – обеспечение больших групп конечных потребителей. Они присоединены к распределительным подстанциям с напряжением 220 или 330 кВ на высокой стороне. Эти подстанции являются конечными потребителями для магистральных ЛЭП. Поскольку энергетический поток уже вплотную приблизился к поселениям, напряжение необходимо уменьшить.
Распределение электроэнергии выполняют ЛЭП, напряжение которых 20 и 35 кВ для жилого сектора, а также 110 и 150 кВ – для мощных промышленных объектов. Следующий пункт классификации линий электропередачи – по классу напряжения. По этому признаку ЛЭП можно опознать визуально. Для каждого класса напряжения характерны соответствующие изоляторы. Их конструкция – это своего рода удостоверение линии электропередачи. Изоляторы изготавливаются увеличением числа керамических чашек соответственно увеличению напряжения. А его классы в киловольтах (включая напряжения между фазами, принятые для стран СНГ) такие:
- 1 (380 В);
- 35 (6, 10, 20);
- 110…220;
- 330…750 (500);
- 750 (1150).
Помимо изоляторов, отличительными признаками являются провода. С увеличением напряжения все больше проявляется эффект электрического коронного разряда. Это явление отбирает энергию и уменьшает эффективность электроснабжения. Поэтому для ослабления коронного разряда с увеличением напряжения, начиная с 220 кВ, используются параллельные провода – по одному на каждые примерно 100 кВ. Некоторые из воздушных линий (ВЛ) разных классов напряжения показаны далее на изображениях:
Опоры ЛЭП и другие заметные элементы
Для того чтобы провод надежно удерживался, применяются опоры. В простейшем случае это деревянные столбы. Но такая конструкция применима лишь к линиям до 35 кВ. А с увеличением ценности древесины в этом классе напряжений все больше используются опоры из железобетона. По мере увеличения напряжения провода необходимо поднимать выше, а расстояние между фазами делать больше. В сравнении опоры выглядят так:
В общем, опоры – это отдельная тема, которая довольно-таки обширна. По этой причине в детали темы опор линий электропередачи здесь углубляться не будем. Но чтобы кратко и емко показать читателю ее основу, продемонстрируем изображение:
В заключение информации о воздушных ЛЭП упомянем те дополнительные элементы, которые встречаются на опорах и хорошо заметны. Это
- системы защиты от молнии,
- а также реакторы.
Кроме перечисленных элементов, в линиях электропередачи применяется еще несколько. Но оставим их за рамками статьи и перейдем к кабелям.
Кабельные линии
Воздух – это изолятор. На этом его свойстве основаны воздушные линии. Но существуют и другие более эффективные материалы-изоляторы. Их применение позволяет намного уменьшить расстояния между фазными проводниками. Но цена такого кабеля получается настолько велика, что не может быть и речи о его использовании вместо воздушных ЛЭП. По этой причине кабели прокладывают там, где есть трудности с воздушными линиями.
Транспортировка электрической энергии на средние и дальние расстояния чаще всего производится по линиям электропередач, расположенным на открытом воздухе. Их конструкция всегда должна отвечать двум основным требованиям:
1. надежности передачи больших мощностей;
2. обеспечения безопасности для людей, животных и оборудования.
При эксплуатации под воздействием различных природных явлений, связанных с ураганными порывами ветра, наледью, выпадения инея линии электропередач периодически подвергаются повышенным механическим нагрузкам.
Для комплексного решения задач безопасной транспортировки электрических мощностей энергетикам приходится поднимать провода, находящиеся под напряжением на большую высоту, разносить их в пространстве, изолировать от строительных элементов и монтировать тоководами повышенных сечений на высокопрочных опорах.
Общее устройство и компоновка воздушной ЛЭП
Схематично любую линию передачи электроэнергии можно представить:
опорами, установленными в грунте;
проводами, по которым пропускается ток;
линейной арматурой, смонтированной на опорах;
изоляторами, закрепленными на арматуре и удерживающими ориентацию проводов в воздушном пространстве.
Дополнительно к элементам ВЛ необходимо отнести:
фундаменты для опор;
систему грозозащиты;
заземляющие устройства.
Опоры бывают:
1. анкерными, предназначенными для выдерживания усилий натянутых проводов и оборудованных натяжными устройствами на арматуре;
2. промежуточными, используемыми для закрепления проводов через поддерживающие зажимы.
Расстояние по грунту между двумя анкерными опорами называется анкерным участком или пролетом, а у промежуточных опор между собой или с анкерной - промежуточным.
Когда воздушная ЛЭП проходит над водными преградами, инженерными сооружениями или другими ответственными объектами, то по концам такого участка устанавливают опоры с натяжными устройствами проводов, а расстояние между ними называют промежуточным анкерным пролетом.
Провода между опорами никогда не натягивают как струну - в прямую линию. Они всегда немного провисают, располагаясь в воздухе с учетом климатических условий. Но при этом обязательно учитывается безопасность их расстояния до наземных объектов:
поверхностей рельсов;
контактных проводов;
транспортных магистралей;
проводов линий связи или других ВЛ;
промышленных и других объектов.
Провисание провода от натянутого состояния называют . Она оценивается разными способами между опорами потому, что верхние части оных могут быть расположены на одном уровне или с превышениями.
Стрела провеса относительно самой высокой точки опоры всегда бывает больше, чем у нижней.
Габариты, протяженность и конструкция каждого типа воздушной ЛЭП зависят от типа тока (переменный или постоянный) транспортируемой по ней электрической энергии и величины ее напряжения, которое может быть менее 0,4 кВ или достигать 1150 кВ.
Устройство проводов воздушных линий
Поскольку электрический ток проходит только по замкнутому контуру, то питание потребителей выполняется минимум двумя проводниками. По такому принципу создаются простые воздушные ЛЭП однофазного переменного тока с напряжением 220 вольт. Более сложные электрические цепи передают энергию по трех или четырехпроводной схеме с глухо изолированным или заземленным нулем.
Диаметр и металл для провода подбираются под проектную нагрузку каждой линии. Самыми распространенными материалами являются алюминий и сталь. Они могут выполняться единой монолитной жилой для низковольтных схем или сплетаться из многопроволочных конструкций для высоковольтных ЛЭП.
Внутреннее межпроволочное пространство может заполняться нейтральной смазкой, повышающей стойкость к нагреву или быть без нее.
Многопроволочные конструкции из алюминиевых проводов, хорошо пропускающих ток, создаются со стальными сердечниками, которые предназначены для восприятия механических нагрузок натяжения, предотвращения обрывов.
ГОСТом дается классификация открытых проводов для воздушных ЛЭП и определена их маркировка: М, А, AC, ПСО, ПС, ACKC, АСКП, АСУ, ACO, АСУС. При этом однопроволочные провода обозначаются величиной диаметра. Например, сокращение ПСО-5 читается «провод стальной. выполненный одной жилой с диаметром 5мм». У многожильных проводов для ЛЭП используется другая маркировка, включающая обозначение двумя цифрами, записанными через дробь:
первая - общая площадь сечения алюминиевых жил в мм кв;
вторая - площадь сечения стальной вставки (мм кв).
Кроме открытых металлических проводников, в современных воздушных линиях все больше применяются провода:
самонесущие изолированные;
защищенные экструдированным полимером, предохраняющим от возникновения КЗ при захлестывании фаз ветром или совершении набросов посторонних предметов с земли.
Воздушные линии с постепенно вытесняют старые неизолированные конструкции. Они все чаще применяются во внутренних сетях, изготавливаются из медных или алюминиевых жил, покрытых резиной с защитным слоем из диэлектрических волокнистых материалов либо полихлорвиниловыми пластикатами без дополнительной внешней защиты.
Чтобы исключить появление коронного разряда большой протяженности провода ВЛ-330 кВ и высшего напряжения расщепляют на дополнительные потоки.
На ВЛ-330 два провода монтируют горизонтально, у линии 500 кВ их увеличивают до трех и размещают по вершинам равностороннего треугольника. Для ВЛ 750 и 1150 кВ применяют расщепление на 4, 5 или 8 потоков соответственно, расположенных по углам собственных равносторонних многоугольников.
Образование «короны» ведет не только к потерям электроэнергии, но и искажает форму синусоидального колебания. Поэтому с ней борются конструктивными методами.
Устройство опор
Обычно опоры создаются для закрепления проводов одной электрической цепи. Но на параллельных участках двух линий может применяться одна общая опора, которая предназначена для их совместного монтажа. Такие конструкции называют двухцепными.
Материалом для изготовления опор могут служить:
1. профилированные уголки из различных сортов стали;
2. бревна строительной древесины, пропитанные составами от загнивания;
3. железобетонные конструкции с армированными прутьями.
Изготовленные из дерева конструкции опор являются самыми дешевыми, но они даже при хорошей пропитке и надлежащем обслуживании служат не более, чем 50÷60 лет.
По техническому исполнению опоры ВЛ выше 1 кВ отличаются от низковольтных своей сложностью и высотой крепления проводов.
Их изготавливают в виде вытянутых призм или конусов с широким основанием внизу.
Любая конструкция опоры рассчитывается на механическую прочность и устойчивость, обладает достаточным проектным запасом к действующим нагрузкам. Но следует учитывать, что при эксплуатации возможны нарушения различных ее элементов в результате коррозии, ударов, несоблюдения технологии монтажа.
Это приводит к ослаблению жесткости единой конструкции, деформациям, а иногда и падениям опор. Часто такие случаи происходят в те моменты, когда на опорах работают люди, выполняя демонтаж или натяжение проводов, создающие переменные осевые усилия.
По этой причине допуск бригады монтеров к работе на высоте с конструкции опор проводится после проверки их технического состояния с оценкой качества ее заглубленной части в грунте.
Устройство изоляторов
На воздушных ЛЭП для отделения токоведущих частей электрической схемы между собой и от механических элементов конструкции опор используют изделия из материалов, обладающие высокими диэлектрическими свойствами с ÷ Ом∙м. Их называют изоляторами и изготавливают из:
фарфора (керамики);
стекла;
Конструкции и габариты изоляторов зависят:
от величины приложенных к ним динамических и статических нагрузок;
значения действующего напряжения электроустановки;
условий эксплуатации.
Усложненная форма поверхности, работающая под воздействием различных атмосферных явлений, создает увеличенный путь для протекания возможного электрического разряда.
Изоляторы, устанавливаемые на воздушных линиях для крепления проводов, подразделяются на две группы:
1. штыревые;
2. подвесные.
Керамические модели
Фарфоровые или керамические штыревые одиночные изоляторы нашли большее применение на ВЛ до 1 кВ, хотя работают на линиях до 35 кВ включительно. Но их используют при условии крепления проводов низких сечений, создающих небольшие тяговые усилия.
Гирлянды из подвесных фарфоровых изоляторов устанавливают на линиях от 35 кВ.
В состав комплекта единичного фарфорового подвесного изолятора входит диэлектрический корпус и шапка, выплавленная из ковкого чугуна. Обе эти детали скрепляются специальным стальным стержнем. Общее количество таких элементов в гирлянде определяется по:
величине напряжения ВЛ;
конструкции опоры;
особенностям эксплуатации оборудования.
При увеличении напряжения линии количество изоляторов в гирлянде добавляется. Например, для ВЛ 35 кВ их достаточно установить 2 или 3, а на 110 кВ - уже потребуется 6÷7.
Стеклянные изоляторы
Эти конструкции обладают рядом преимуществ перед фарфоровыми:
отсутствием внутренних дефектов изоляционного материала, влияющих на образование токов утечек;
повышенной прочностью к усилиям скручивания;
прозрачностью конструкции, позволяющей визуально оценивать состояние и выполнять контроль угла поляризации светового потока;
отсутствием признаков старения;
автоматизацией производства и плавки.
Недостатками стеклянных изоляторов являются:
слабая антивандалная устойчивость;
низкая прочность на действие ударных нагрузок;
возможность повреждений при транспортировке и монтаже от механических усилий.
Полимерные изоляторы
Они обладают повышенной механической прочностью и уменьшенным до 90% весом по сравнению с керамическими и стеклянными аналогами. К дополнительным преимуществам относятся:
простота монтажа;
бо́льшая стойкость к загрязнениям из атмосферы, которая, однако, не исключает необходимость периодической очистки их поверхности;
гидрофобность;
хорошая восприимчивость перенапряжений;
повышенная вандалоустойчивость.
Долговечность полимерных материалов тоже зависит от условий эксплуатации. В воздушной среде с повышенными загрязнениями от промышленных предприятий у полимеров могут проявиться явления «хрупкого излома», заключающиеся в постепенном изменении свойств внутренней структуры под воздействием химических реакций от загрязняющих веществ и атмосферной влаги, протекающих в комплексе с электрическими процессами.
При расстреле вандалами изоляторов из полимера дробью или пулями обычно не происходит полного разрушения материала, как у стекла. Чаще всего дробинка или пуля пролетает навылет или застревает в корпусе юбки. Но диэлектрические свойства при этом все равно занижаются и поврежденные элементы в гирлянде требуют замены.
Поэтому подобное оборудование необходимо периодически осматривать методами визуального контроля. А выявить подобные повреждения без оптических приборов практически невозможно.
Арматура воздушных линий
Для крепления изоляторов на опоре ВЛ, сборки их в гирлянды и монтажа к ним токонесущих проводов выпускаются специальные крепежные элементы, которые принято называть арматурой линии.
По выполняемым задачам арматуру классифицируют на следующие группы:
сцепную, предназначенную для соединения подвесных элементов различными способами;
натяжную, служащую для крепления натяжных зажимов к проводам и гирляндам анкерных опор;
поддерживающую, выполняющую удержание креплений проводов, шлейфов и узлов монтажа экранов;
защитную, предназначенную для сохранения работоспособности оборудования ВЛ при воздействии на нее атмосферных разрядов и механических колебаний;
соединительную, состоящую из овальных соединителей и термитных патронов;
контактную;
спиральную;
установки штыревых изоляторов;
монтажа СИП проводов.
Каждая из перечисленных групп имеет широкий ассортимент деталей и требует более пристального изучения. Например, в состав только защитной арматуры входят:
рога защитные;
кольца и экраны;
разрядники;
гасители вибраций.
Защитные рога создают искровой промежуток, отводят появляющуюся электрическую дугу при возникновении перекрытия изоляции и таким способом защищают оборудование ВЛ.
Кольца и экраны отводят дугу от поверхности изолятора, улучшают распределение напряжения по всей площади гирлянды.
Разрядники защищают оборудование от волн перенапряжения, возникающих при ударе молний. Они могут применяться на основе трубчатых конструкций из винипластовых или фибробакелитовых трубок с электродами либо быть изготовлены вентильными элементами.
Гасители вибраций работают на тросах и проводах, предотвращают повреждения от усталостных напряжений, создаваемых вибрациями и колебаниями.
Заземляющие устройства воздушных линий
Необходимость повторного заземления опор ВЛ вызвана требованиями безопасной работы при возникновении аварийных режимов и грозовых перенапряжениях. Сопротивление контура заземляющего устройства не должно превышать 30 Ом.
У металлических опор все крепежные элементы и арматура должны присоединяться к PEN проводнику, а у железобетонных объединенный ноль связывает собой все подкосы и арматуру стоек.
На опорах из дерева, металла и железобетона штыри и крюки при монтаже СИП с несущим изолированным проводником не заземляют, за исключением случаев необходимости выполнения повторных заземлений для защит от перенапряжений.
Крюки и штыри, смонтированные на опоре, соединяют с контуром заземления сваркой, используя стальную проволоку или прут не тоньше 6 мм по диаметру с обязательным наличием антикоррозионного покрытия.
На железобетонных опорах для заземляющего спуска применяют металлическую арматуру. Все контактные соединения заземляющих проводников сваривают или зажимают в специальном болтовом креплении.
Опоры воздушных линий электропередач с напряжением 330 кВ и выше не заземляют из-за сложности реализации технических решений для обеспечения безопасной величины напряжений прикосновения и шага. Защитные функции заземления в этом случае возложены на быстродействующие защиты линии.
Основными элементами воздушных линий являются провода, изоляторы, линейная арматура, опоры и фундаменты. На воздушных линиях переменного трехфазного тока подвешивают не менее трех проводов, составляющих одну цепь; на воздушных линиях постоянного тока - не менее двух проводов.
По количеству цепей ВЛ подразделяются на одно, двух и многоцепные. Количество цепей определяется схемой электроснабжения и необходимостью ее резервирования. Если по схеме электроснабжения требуются две цепи, то эти цепи могут быть подвешены на двух отдельных одноцепных ВЛ с одноцепными опорами или на одной двухцепной ВЛ с двухцепными опорами. Расстояние / между соседними опорами называют пролетом, а расстояние между опорами анкерного типа - анкерным участком.
Провода, подвешиваемые на изоляторах (А, - длина гирлянды) к опорам (рис. 5.1, а), провисают по цепной линии. Расстояние от точки подвеса до низшей точки провода называется стрелой провеса /. Она определяет габарит приближения провода к земле А, который для населенной местности равен: до поверхности земли до 35 и ПО кВ - 7 м; 220 кВ - 8 м; до зданий или сооружений до 35 кВ - 3 м; 110 кВ - 4 м; 220 кВ - 5 м. Длина пролета / определяется экономическими условиями. Длина пролета до 1 кВ обычно составляет 30…75 м; ПО кВ - 150…200 м; 220 кВ - до 400 м.
Разновидности опор электропередач
В зависимости от способа подвески проводов опоры бывают:
- промежуточные, на которых провода закрепляют в поддерживающих зажимах;
- анкерного типа, служащие для натяжения проводов; на этихопорах провода закрепляют в натяжных зажимах;
- угловые, которые устанавливают на углах поворота ВЛ с подвеской проводов в поддерживающих зажимах; они могут быть промежуточные, ответвительные и угловые, концевые, анкерные угловые.
Укрупнено же опоры ВЛ выше 1 кВ подразделяются на два вида анкерные, полностью воспринимающие тяжение проводов и тросов в смежных пролетах; промежуточные, не воспринимающие тяжение проводов или воспринимающие частично.
На ВЛ применяют деревянные опоры (рис. 5Л, б, в), деревянные опоры нового поколения (рис. 5.1, г), стальные (рис. 5.1, д) и железобетонные опоры.
Деревянные опоры ВЛ
Деревянные опоры ВЛ все еще имеют распространение в странах, располагающих лесными запасами. Достоинствами дерева как материала для опор являются: небольшой удельный вес, высокая механическая прочность, хорошие электроизоляционные свойства, природный круглый сортамент. Недостатком древесины является ее гниение, для уменьшения которого применяют антисептики.
Эффективным методом борьбы с гниением является пропитка древесины маслянистыми антисептиками. В США осуществляется переход к деревянным клееным опорам.
Для ВЛ напряжением 20 и 35 кВ, на которых применяют штыревые изоляторы, целесообразно применение одностоечных свечеобразных опор с треугольным расположением проводов. На воздушных ЛЭП 6 -35 кВ со штыревыми изоляторами при любом расположении проводов расстояние между ними D, м, должно быть не меньше значений, определяемых по формуле
где U - линии, кВ; - наибольшая стрела провеса, соответствующая габаритному пролету, м; Ь - толщина стенки гололеда, мм (не более 20 мм).
Для ВЛ 35 кВ и выше с подвесными изоляторами при горизонтальном расположении проводов минимальное расстояние между проводами, м, определяется по формуле
Стойку опоры выполняют составной: верхнюю часть (собственно стойку) - из бревен длиной 6,5…8,5 м, а нижнюю часть (так называемый пасынок) - из железобетона сечением 20 х 20 см, длиной 4,25 и 6,25 м или из бревен длиной 4,5…6,5 м. Составные опоры с железобетонным пасынком сочетают в себе преимущества железобетонных и деревянных опор: грозоустойчивость и сопротивляемость гниению в месте касания с грунтом. Соединение стойки с пасынком выполняют проволочными бандажами из стальной проволоки диаметром 4…6 мм, натягиваемой при помощи скрутки или натяжным болтом.
Анкерные и промежуточные угловые опоры для ВЛ 6 - 10 кВ выполняют в виде Аобразной конструкции с составными стойками.
Стальные опоры электропередачи
Широко применяют на ВЛ напряжением 35 кВ и выше.
По конструктивному исполнению стальные опоры могут быть двух видов:
- башенные или одностоечные (см. рис. 5.1, д);
- портальные, которые по способу закрепления подразделяютсяна свободностоящие опоры и опоры на оттяжках.
Достоинством стальных опор является их высокая прочность, недостатком - подверженность коррозии, что требует при эксплуатации проведения периодической окраски или нанесения антикоррозийного покрытия.
Опоры изготавливают из стального углового проката (в основном применяют равнобокий уголок); высокие переходные опоры могут быть изготовлены из стальных труб. В узлах соединения элементов применяют стальной лист различной толщины. Независимо от конструктивного исполнения стальные опоры выполняют в виде пространственных решетчатых конструкций.
Железобетонные опоры электропередачи
По сравнению с металлическими более долговечны и экономичны в эксплуатации, так как требуют меньше ухода и ремонта (если брать жизненный цикл, то железобетонные - более энергозатратны). Основное преимущество железобетонных опор - уменьшение расхода стали на 40…75%, недостаток - большая масса. По способу изготовления железобетонные опоры подразделяются на бетонируемые на месте установки (большей частью такие опоры применяют зарубежом) и заводского изготовления.
Крепление траверс к стволу стойки железобетонной опоры выполняют с помощью болтов, пропущенных через специальные отверстия в стойке, или с помощью стальных хомутов, охватывающих ствол и имеющих цапфы для крепления на них концов поясов траверс. Металлические траверсы предварительно подвергают горячей оцинковке, поэтому они долгое время не требуют при эксплуатации специального ухода и наблюдения.
Провода воздушных линий выполняют неизолированными, состоящими из одной или нескольких свитых проволок. Провода из одной проволоки, называемые однопроволочными (их изготавливают сечением от 1 до 10 мм2), имеют меньшую прочность и применяются только на ВЛ напряжением до 1 кВ. Многопроволочные провода, свитые из нескольких проволок, применяются на ВЛ всех напряжений.
Материалы проводов и тросов должны иметь высокую электрическую проводимость, обладать достаточной прочностью, выдерживать атмосферные воздействия (в этом отношении наибольшей стойкостью обладают медные и бронзовые провода; провода из алюминия подвержены коррозии, особенно на морских побережьях, где в воздухе содержатся соли; стальные провода разрушаются даже в нормальных атмосферных условиях).
Для ВЛ применяют однопроволочные стальные провода диаметром 3,5; 4 и 5 мм и медные провода диаметром до 10 мм. Ограничение нижнего предела обусловлено тем, что провода меньшего диаметра имеют недостаточную механическую прочность. Верхний предел ограничен из-за того, что изгибы однопроволочного провода большего диаметра могут вызвать в его внешних слоях такие остаточные деформации, которые будут снижать его механическую прочность.
Многопроволочные провода, скрученные из нескольких проволок, обладают большой гибкостью; такие провода могут выполняться любым сечением (их изготавливают сечением от 1,0 до 500 мм2).
Диаметры отдельных проволок и их количество подбирают так, чтобы сумма поперечных сечений отдельных проволок дала требуемое общее сечение провода.
Как правило, многопроволочные провода изготавливают из круглых проволок, причем в центре помещается одна или несколько проволок одинакового диаметра. Длина скрученной проволоки немного больше длины провода, измеренной по его оси. Это вызывает увеличение фактической массы провода на 1 …2 % по сравнению с теоретической массой, которая получается при умножении сечения провода на длину и плотность. Во всех расчетах принимается фактическая масса провода, указанная в соответствующих стандартах.
Марки неизолированных проводов обозначают:
- буквами М, А, АС, ПС - материал провода;
- цифрами - сечение в квадратных миллиметрах.
Алюминиевая проволока А может быть:
- марки AT (твердой неоттоженной)
- AM (отожженной мягкой) сплавов АН, АЖ;
- АС, АСХС - из стального сердечника и алюминиевых проволок;
- ПС - из стальных проволок;
- ПСТ - из стальной оцинкованной проволоки.
Например, А50 обозначает алюминиевый провод, сечение которого равно 50 мм2;
- АС50/8 - сталеалюминевый провод сечением алюминиевой части 50 мм2, стального сердечника 8 мм2 (в электрических расчетах учитывается проводимость только алюминиевой части провода);
- ПСТЗ,5, ПСТ4, ПСТ5 - однопроволочные стальные провода, где цифры соответствуют диаметру провода в миллиметрах.
Стальные тросы, применяемые на ВЛ в качестве грозозащитных, изготавливают из оцинкованной проволоки; их сечение должно быть не менее 25 мм2. На ВЛ напряжением 35 кВ применяют тросы сечением 35 мм2; на линиях ПО кВ - 50 мм2; на линиях 220 кВ и выше -70 мм2.
Сечение многопроволочных проводов различных марок определяется для ВЛ напряжением до 35 кВ по условиям механической прочности, а для ВЛ напряжением ПО кВ и выше - по условиям потерь на корону. На ВЛ при пересечении различных инженерных сооружений (линий связи, железных и шоссейных дорог и т.д.) необходимо обеспечивать более высокую надежность, поэтому минимальные сечения проводов в пролетах пересечений должны быть увеличены (табл. 5.2).
При обтекании проводов потоком воздуха, направленным поперек оси ВЛ или под некоторым углом к этой оси, с подветренной стороны провода возникают завихрения. При совпадении частоты образования и перемещения вихрей с одной из частот собственных колебаний провод начинает колебаться в вертикальной плоскости.
Такие колебания провода с амплитудой 2…35 мм, длиной волны 1…20 м и частотой 5…60 Гц называются вибрацией.
Обычно вибрация проводов наблюдается при скорости ветра 0,6… 12,0 м/с;
Стальные провода не допускаются в пролетах над трубопроводами и железными дорогами.
Вибрация, как правило, имеет место в пролетах длиной более 120 м и на открытой местности. Опасность вибрации заключается в обрыве отдельных проволок провода на участках их выхода из зажимов изза повышения механического напряжения. Возникают переменные от периодических изгибов проволок в результате вибрации и сохраняются в подвешенном проводе основные растягивающие напряжения.
В пролетах длиной до 120 м защиты от вибрации не требуется; не подлежат защите и участки любых ВЛ, защищенных от поперечных ветров; на больших переходах рек и водных пространств требуется защита независимо от в проводах. На ВЛ напряжением 35 …220 кВ и выше защиту от вибрации выполняют путем установки виброгасителей, подвешенных на стальном тросе, поглощающих энергию вибрирующих проводов с уменьшением амплитуды вибрации около зажимов.
При гололеде наблюдается так называемая пляска проводов, которая, так же как и вибрация, возбуждается ветром, но отличается от вибрации большей амплитудой, достигающей 12… 14 м, и большей длиной волны (с одной и двумя полуволнами в пролете). В плоскости, перпендикулярной оси ВЛ, провод На напряжении 35 - 220 кВ провода изолируют от опор гирляндами подвесных изоляторов. Для изоляции ВЛ 6 -35 кВ применяют штыревые изоляторы.
Проходя по проводам ВЛ, выделяет теплоту и нагревает провод. Под влиянием нагрева провода происходят:
- удлинение провода, увеличение стрелы провеса, изменение расстояния до земли;
- изменение натяжения провода и его способности нести механическую нагрузку;
- изменение сопротивления провода, т. е. изменение потерь электрической мощности и энергии.
Все условия могут изменяться при наличии постоянства параметров окружающей среды или изменяться совместно, воздействуя на работу провода ВЛ. При эксплуатации ВЛ считают, что при номинальном токе нагрузки температура провода составляет 60…70″С. Температура провода будет определяться одновременным воздействием тепловыделения и охлаждения или теплоотвода. Теплоотвод проводов ВЛ возрастает с увеличением скорости ветра и понижением температуры окружающего воздуха.
При уменьшении температуры воздуха от +40 до 40 °С и увеличении скорости ветра от 1 до 20 м/с тепловые потери изменяются от 50 до 1000 Вт/м. При положительных температурах окружающего воздуха (0…40 °С) и незначительных скоростях ветра (1 …5 м/с) тепловые потери составляют 75…200 Вт/м.
Для определения воздействия перегрузки на увеличение потерь сначала определяется
где RQ - сопротивление провода при температуре 02, Ом; R0] - сопротивление провода при температуре, соответствующей расчетной нагрузке в условиях эксплуатации, Ом; А/.у.с - коэффициент температурного увеличения сопротивления, Ом/°С.
Увеличение сопротивления провода по сравнению с сопротивлением, соответствующим расчетной нагрузке, возможно при перегрузке 30 % на 12 %, а при перегрузке 50 % - на 16 %
Увеличения потери AUпри перегрузке до 30 % можно ожидать:
- при расчете ВЛ на AU =5% А?/30 = 5,6%;
- при расчете ВЛ на А17= 10 % Д?/30 = 11,2 %.
При перегрузке ВЛ до 50 % увеличение потери будет равно соответственно 5,8 и 11,6 %. Учитывая график нагрузки, можно отметить, что при перегрузке ВЛ до 50 % потери кратковременно превышают допустимые нормативные значения на 0,8… 1,6 %, что существенно не влияет на качество электроэнергии.
Применение провода СИП
С начала века получили распространение низковольтные воздушные сети, выполненные как самонесущая система изолированных проводов (СИП).
Используется СИП в городах как обязательнаяпрокладка, как магистраль в сельских зонах со слабой плотностью населения, ответвления к потребителям. Способы прокладки СИП различны: натягивание на опорах; натягивание по фасадам зданий; прокладка вдоль фасадов.
Конструкция СИП (униполярных бронированных и небронированных, триполярных с изолированной или голой несущей нейтралью) в общем случае состоит из медной или алюминиевой проводниковой многопроволочной жилы, окруженной внутренним полупроводниковым экструдированным экраном, затем - изоляцией из шитого полиэтилена, полиэтилена или ПВХ. Герметичность обеспечивается порошком и компаундированной лентой, поверх которых расположен металлический экран из меди или алюминия в виде спирально уложенных нитей или ленты, с использованием экструдированного свинца.
Поверх подушки кабельной брони, выполненной из бумаги, ПВХ, полиэтилена, делают броню из алюминия в виде сетки из полосок и нитей. Внешняя защита выполнена из ПВХ, полиэтилена без гелогена. Пролеты прокладки, рассчитанные с учетом ее температуры и сечения проводов (не менее 25 мм2 для магистралей и 16 мм2 на ответвлениях к вводам для потребителей, 10 мм2 для сталеалюминиевого провода) составляют от 40 до 90 м.
При небольшом повышении затрат (около 20 %) по сравнению с неизолированными проводами надежность и безопасность линии, оснащенной СИП, повышается до уровня надежности и безопасности кабельных линий. Одним из преимуществ воздушных линий с изолированными проводами ВЛИ перед обычными ЛЭП является снижение потерь и мощности за счет уменьшения реактивного сопротивления. Параметры прямой последовательности линий:
- АСБ95 - R = 0,31 Ом/км; Х= 0,078 Ом/км;
- СИП495 - соответственно 0,33 и 0,078 Ом/км;
- СИП4120 - 0,26 и 0,078 Ом/км;
- АС120 - 0,27 и 0,29 Ом/км.
Эффект от снижения потерь при применении СИП и неизменности тока нагрузки может составлять от 9 до 47 %, потерь мощности - 18 %.
Воздушные линии (ВЛ) служат для передачи электроэнергии по проводам, проложенным на открытом воздухе и закрепленным на специальных опорах или кронштейнах инженерных сооружений с помощью изоляторов и арматуры. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода, защитные тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. В городских условиях ВЛ получили наибольшее распространение на окраинах, а также в районах застройки до пяти этажей. Элементы ВЛ должны обладать достаточной механической прочностью, поэтому при их проектировании, кроме электрических, делают и механические расчеты для определения не только материала и сечения проводов, но и типа изоляторов и опор, расстояния между проводами и опорами и т. д.
В зависимости от назначения и места установки различают следующие виды опор:
промежуточные, предназначенные для поддержания проводов на прямых участках линий. Расстояние между опорами (пролеты) составляет 35-45 м для напряжения до 1000 В и около 60 м для напряжения 6-10 кВ. Крепление проводов здесь производится с помощью штыревых изоляторов (не наглухо);
анкерные, имеющие более жесткую и прочную конструкцию, чтобы воспринимать продольные усилия от разности тяжения по проводам и поддерживать (в случае обрыва) все оставшиеся в анкерном пролете провода. Эти опоры устанавливаются также на прямых участках трассы (с пролетом около 250 м для напряжения 6-10 кВ) и на пересечениях с различными сооружениями. Крепление проводов на анкерных опорах производится наглухо к подвесным или штыревым изоляторам;
концевые, устанавливаемые в начале и в конце линии. Они являются разновидностью анкерных опор и должны выдерживать постоянно действующее одностороннее тяжение проводов;
угловые, устанавливаемые в местах изменения направления трассы. Эти опоры укрепляются подкосами или металлическими оттяжками;
специальные или переходные, устанавливаемые в местах пересечений ВЛ с сооружениями или препятствиями (реками, железными дорогами и т. п.). Они отличаются от других опор данной линии по высоте или конструкции.
Для изготовления опор применяют дерево, металл или железобетон.
Деревянные опоры в зависимости от конструкции могут быть:
одинарными;
А-образными, состоящими из двух стоек, сходящихся у вершины и расходящихся у основания;
трехногими, состоящими из трех сходящихся к вершине и расходящихся у основания стоек;
П-образными, состоящими из двух стоек, соединенных вверху горизонтальной траверсой;
АП-образными, состоящими из двух А-образных опор, соединенных горизонтальной траверсой;
составными, состоящими из стойки и приставки (пасынка), присоединяемой к ней бандажом из стальной проволоки.
Для увеличения срока службы деревянные опоры пропитывают антисептиками, значительно замедляющими процесс гниения древесины. В эксплуатации антисептирование проводится путем наложения антисептического бандажа в местах, подверженных гниению, с промазыванием антисептической пастой всех трещин, мест сопряжений и врубок.
Металлические опоры изготавливают из труб или профильной стали, железобетонные - в виде полых круглых или прямоугольных стоек с уменьшающимся сечением к вершине опоры.
Для крепления проводов ВЛ к опорам применяются изоляторы и крюки, а для крепления к траверсе - изоляторы и штыри. Изоляторы могут быть фарфоровыми или стеклянными штыревого или подвесного (в местах анкерного крепления) исполнения (рис. 1, а-в). Их прочно навертывают на крюки или штыри с помощью специальных полиэтиленовых колпачков или пакли, пропитанной суриком или олифой.
Рисунок 1. а - штыревой 6-10 кВ; б - штыревой 35 кВ; в - подвесной; г, д - стержневые полимерные
Изоляторы воздушных линий изготавливаются из фарфора или закаленного стекла - материалов, обладающих высокой механической и электрической прочностью и стойкостью к атмосферным воздействиям. Существенным достоинством стеклянных изоляторов является то, что при повреждении закаленное стекло рассылается. Это облегчает нахождение поврежденных изоляторов на линии.
По конструкции изоляторы разделяют на штыревые и подвесные.
Штыревые изоляторы применяются на линиях напряжением до 1 кВ, 6-10 кВ и, редко, 35 кВ (рис. 1, а, б). Они крепятся к опорам при помощи крюков или штырей.
Подвесные изоляторы (рис. 1, в) используются на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Они состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей части 1, шапки из ковкого чугуна 2, металлического стержня 3 и цементной связки 4. Подвесные изоляторы собирают в гирлянды, которые бывают поддерживающими (на промежуточных опорах) и натяжными (на анкерных опорах). Число изоляторов в гирлянде определяется напряжением линии; 35 кВ - 3-4 изолятора, 110 кВ - 6-8.
Применяются также полимерные изоляторы (рис. 1, г). Они представляют собой стержневой элемент из стеклопластика, на котором размещено защитное покрытие с ребрами из фторопласта или кремнийорганической резины:
К проводам ВЛ предъявляются требования достаточной механической прочности. Они могут быть одно- или многопроволочными. Однопроволочные провода из стали применяются исключительно для линий напряжением до 1000 В; многопроволочные провода из стали, биметалла, алюминия и его сплавов получили преимущественное распространение благодаря повышенной механической прочности и гибкости. Чаще всего на ВЛ напряжением до 6-10 кВ используются алюминиевые многопроволочные провода марки А и стальные оцинкованные провода марки ПС.
Сталеалюминевые провода (рис. 2, в) применяют на ВЛ напряжением выше 1 кВ. Они выпускаются с разным соотношением сечений алюминиевой и стальной частей. Чем меньше это соотношение, тем более высокую механическую прочность имеет провод и поэтому используется на территориях с более тяжелыми климатическими условиями (с большей толщиной стенки гололеда). В марке сталеалюминевых проводов указываются сечения алюминиевой и стальной частей, например, АС 95/16.
Рисунок 2. а - общий вид многопроволочного провода; б - сечение алюминиевого провода; в - сечение сталеалюминевого провода
Провода из сплавов алюминия (АН - не термообработанный, АЖ - термообработанный) имеют большую, по сравнению с алюминиевыми, механическую прочность и практически такую же электрическую проводимость. Они используются на ВЛ напряжением выше 1 кВ в районах с толщиной стенки гололеда до 20 мм.
Провода располагают различными способами. На одноцепных линиях их, как правило, располагают треугольником.
В настоящее время широко используются так называемые самонесущие изолированные провода (СИП) напряжением до 10 кВ. В линии напряжением 380 В провода состоят из несущего неизолированного провода, являющегося нулевым, трех изолированных линейных проводов, одного изолированного провода наружного освещения. Линейные изолированные провода навиты вокруг несущего нулевого провода. Несущий провод является сталеалюминевым, а линейные - алюминиевыми. Последние покрыты светостойким термостабилизированным (сшитым) полиэтиленом (провод типа АПВ). К преимуществам ВЛ с изолированными проводами перед линиями с голыми проводами можно отнести отсутствие изоляторов на опорах, максимальное использование высоты опоры для подвески проводов; нет необходимости в обрезке деревьев в зоне прохождения линии.
Для ответвлений от линий напряжением до 1000 В к вводам в здания используются изолированные провода марки АПР или АВТ. Они имеют несущий стальной трос и изоляцию, стойкую к атмосферным воздействиям.
Крепление проводов к опорам производится различными способами, в зависимости от места их расположения на изоляторе. На промежуточных опорах провода крепят к штыревым изоляторам зажимами или вязальной проволокой из того же материала, что и провод, причем последний в месте крепления не должен иметь изгибов. Провода, расположенные на головке изолятора, крепятся головной вязкой, на шейке изолятора - боковой вязкой.
На анкерных, угловых и концевых опорах провода напряжением до 1000 В крепят закручиванием проводов так называемой «заглушкой», провода напряжением 6-10 кВ - петлей. На анкерных и угловых опорах, в местах перехода через железные дороги, проезды, трамвайные пути и на пересечениях с различными силовыми линиями и линиями связи применяют двойной подвес проводов.
Соединение проводов производят плашечными зажимами, обжатым овальным соединителем, овальным соединителем, скрученным специальным приспособлением. В некоторых случаях применяют сварку с помощью термитных патронов и специального аппарата. Для однопроволочных стальных проводов можно применять сварку внахлестку с использованием небольших трансформаторов. В пролетах между опорами не допускается иметь более двух соединений проводов, а в пролетах пересечений ВЛ с различными сооружениями соединение проводов не допускается. На опорах соединение должно быть выполнено так, чтобы оно не испытывало механических усилий.
Линейная арматура применяется для крепления проводов к изоляторам и изоляторов к опорам и делится на следующие основные виды: зажимы, сцепная арматура, соединители и др.
Зажимы служат для закрепления проводов и тросов и прикрепления их к гирляндам изоляторов и подразделяются на поддерживающие, подвешиваемые на промежуточных опорах, и натяжные, применяемые на опорах анкерного типа (рис. 3, а, б, в).
Рисунок 3. а - поддерживающий зажим; б - болтовой натяжной зажим; в - прессуемый натяжной зажим; г - поддерживающая гирлянда изоляторов; д - дистанционная распорка; е - овальный соединитель; ж - прессуемый соединитель
Сцепная арматура предназначена для подвески гирлянд на опорах и соединения многоцепных гирлянд друг с другом и включает скобы, серьги, ушки, коромысла. Скоба служит для присоединения гирлянды к траверсе опоры. Поддерживающая гирлянда (рис. 3, г) закрепляется на траверсе промежуточной опоры при помощи серьги 1, которая другой стороной вставляется в шапку верхнего подвесного изолятора 2. Ушко 3 используется для прикрепления к нижнему изолятору гирлянды поддерживающего зажима 4.
Соединители применяются для соединения отдельных участков провода. Они бывают овальные и прессуемые. В овальных соединителях провода либо обжимаются, либо скручиваются (рис. 3, е). Прессуемые соединители (рис. 3, ж) применяются для соединения проводов больших сечений. В сталеалюминевых проводах стальная и алюминиевая части опрессовываются раздельно.
Тросы наряду с искровыми промежутками, разрядниками и устройствами заземления служат для защиты линий от грозовых перенапряжений. Их подвешивают над фазными проводами на ВЛ напряжением 35 кВ и выше, в зависимости от района по грозовой деятельности и материала опор, что регламентируется «Правилами устройства электроустановок». Грозозащитные тросы обычно выполняют из стали, но при использовании их в качестве высокочастотных каналов связи - из стали и алюминия. На линиях 35-110 кВ крепление троса к металлическим и железобетонным промежуточным опорам осуществляется без изоляции троса.
Для защиты от грозовых перенапряжений участков ВЛ с пониженным по сравнению с остальной линией уровнем изоляции применяют трубчатые разрядники.
На ВЛ заземляются все металлические и железобетонные опоры, на которых подвешены грозозащитные тросы или установлены другие средства грозозащиты (разрядники, искровые промежутки) линий напряжением 6-35 кВ. На линиях до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью крюки и штыри фазных проводов, устанавливаемые на железобетонных опорах, а также арматура этих опор должны быть присоединены к нулевому проводу.
Трансформаторы осуществляют непосредственное преобразование электроэнергии - изменение величины напряжения. Распределительные устройства служат для приема электроэнергии со стороны питания трансформаторов (приемные распределительные устройства) и для распределения электроэнергии на стороне потребителей.
В последующих главах рассматривается конструктивное выполнение основных элементов систем электроснабжения, приводятся основные типы и схемы подстанций, даются основы механического расчета воздушных линий электропередачи и шинных конструкций.
1. Конструкции воздушных линий электропередачи
1.1. Общие сведения
Воздушной линией (ВЛ) называется устройство для передачи электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным с помощью изоляторов и арматуры к опорам.
На рис. 1.1 показан фрагмент ВЛ. Расстояние l между соседними опорами называется пролетом . Расстояние по вертикали между прямой линией, соединяющей точки подвеса провода, и низшей точкой его провисания называется стрелой провеса провода f п . Расстояние от низшей точки провисания провода до поверхности земли называется габаритом воздушной линии h г . В верхней части опор закрепляется грозозащитный трос.
Величина габарита линии h г регламентируется ПУЭ в зависимости от напряжения ВЛ и вида местности (населенная, ненаселенная, труднодоступная). Длина гирлянды изоляторов λ и расстояние между проводами соседних фаз h п-п определяются номинальным напряжением ВЛ. Расстояние между точками подвеса верхнего провода и троса h п-т регламентируется ПУЭ исходя из требования надежной защиты проводов ВЛ от прямых ударов молнии.
Для обеспечения экономичной и надежной передачи электроэнергии необходимы проводниковые материалы, обладающие высокой электрической проводимостью (низким сопротивлением) и высокой механической прочностью. В конструктивных элементах систем электроснабжения в качестве таких материалов используются медь, алюминий, сплавы на их основе, сталь.
Рис. 1.1. Фрагмент воздушной линии электропередачи
Медь имеет низкое сопротивление и достаточно высокую прочность. Ее удельное активное сопротивление ρ = 0,018 Ом. мм2 /м, а предельное сопротивление на разрыв - 360 МПа. Однако это дорогой и дефицитный металл. Поэтому медь применяется, как правило, для выполнения обмоток трансформаторов, реже - для жил кабелей и практически не применяется для проводов воздушных линий.
Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше, предельное сопротивление на разрыв в 2,5 раза меньше, чем у меди. Большая распространенность алюминия в природе и меньшая, чем у меди, стоимость обусловили его широкое применение для проводов ВЛ.
Сталь обладает большим сопротивлением и высокой механической прочностью. Ее удельное активное сопротивление ρ = 0,13 Ом. мм2 /м, а предельное сопротивление на разрыв - 540 МПа. Поэтому в системах электроснабжения сталь используется, в частности, для увеличения механической прочности алюминиевых проводов, изготовления опор и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи.
1.2. Провода и тросы воздушных линий
Провода ВЛ служат непосредственно для передачи электроэнергии и различаются по конструкции и используемому проводниковому материалу. Наиболее экономически целесообразным
материалом для проводов ВЛ является алюминий и сплавы на его основе.
Медные провода для ВЛ применяются исключительно редко и при соответствующем технико-экономическом обосновании. Медные провода используются в контактных сетях подвижного транспорта, в сетях специальных производств (шахт, рудников), иногда при прохождении ВЛ вблизи морей и некоторых химических производств.
Стальные провода для ВЛ не применяются, поскольку имеют большое активное сопротивление и подвержены коррозии. Применение стальных проводов оправдывается при выполнении особенно больших пролетов ВЛ, например при переходе ВЛ через широкие судоходные реки.
Сечения проводов соответствуют ГОСТ 839-74. Шкала номинальных сечений проводов ВЛ составляет следующий ряд, мм2 :
1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 1000.
По конструктивному выполнению провода ВЛ делятся: на однопроволочные;
многопроволочные из одного металла (монометаллические); многопроволочные из двух металлов; самонесущие изолированные.
Однопроволочные провода , как следует из названия, выполняют из одной проволоки (рис. 1.2,а). Такие провода выполняются небольших сечений до 10 мм2 и используются иногда для ВЛ напряжением до 1 кВ.
Многопроволочные монометаллические провода выполняются сечением более 10 мм 2 . Эти провода изготовляются свитыми из отдельных проволок. Вокруг центральной проволоки выполняется повив (ряд) из шести проволок такого же диаметра (рис. 1.2,б). Каждый последующий повив имеет на шесть проволок больше, чем предыдущий. Скрутку соседних повивов выполняют в разные стороны для предотвращения раскручивания проволок и придания проводу более круглой формы.
Количество повивов определяется сечением провода. Провода сечением до 95 мм2 выполняются с одним повивом, сечением 120… 300 мм2 - с двумя повивами, сечением 400 мм2 и более - с тремя и более повивами. Многопроволочные провода по сравнению с однопроволочными более гибкие, удобные для монтажа, надежные в эксплуатации.
Рис. 1.2. Конструкции неизолированных проводов ВЛ
Для придания проводу большей механической прочности многопроволочные провода изготовляют со стальным сердечником 1 (рис. 1.2,в,г,д). Такие провода называются сталеалюминиевыми. Сердечник выполняется из стальной оцинкованной проволоки и может быть однопроволочным (рис.1.2,в) и многопроволочным (рис. 1.2,г). Общий вид сталеалюминиевого провода большого сечения с многопроволочным стальным сердечником показан на рис. 1.2,д.
Сталеалюминиевые провода широко применяются для ВЛ напряжением выше 1 кВ. Эти провода выпускаются различных конструкций, отличающихся соотношением сечений алюминиевой и стальной частей. Для обычных сталеалюминиевых проводов это соотношение приблизительно равно шести, для проводов облегченной конструкции - восьми, для проводов усиленной конструкции - четырем. При выборе того или иного сталеалюминиевого провода учитывают внешние механические нагрузки на провод такие, как гололед и ветер.
Провода, в зависимости от используемого материала, маркируются следующим образом:
М - медный, А - алюминиевый,
АН, АЖ - из сплавов алюминия (имеют большую механическую прочность, чем провод марки А);
АС - сталеалюминиевый; АСО - сталеалюминиевый облегченной конструкции;
АСУ - сталеалюминиевый усиленной конструкции.
В цифровом обозначении провода указывается его номинальное сечение. Например, А95 это алюминиевый провод с номинальным сечением 95 мм2 . В обозначении сталеалюминиевых проводов может дополнительно указываться сечение стального сердечника. Например,
АСО240/32 - сталеалюминиевый провод облегченной конструкции с номинальным сечением алюминиевой части 240 мм2 и сечением стального сердечника 32 мм2 .
Стойкие к коррозии алюминиевые провода марки АКП и сталеалюминиевые провода марок АСКП, АСКС, АСК имеют межпроволочное пространство, заполненное нейтральной смазкой повышенной термостойкости, противодействующей появлению коррозии. У проводов АКП и АСКП такой смазкой заполнено все межпроволочное пространство, у провода АСКС - только стальной сердечник, у провода АСК стальной сердечник заполнен нейтральной смазкой и изолирован от алюминиевой части двумя полиэтиленовыми лентами. Провода АКП, АСКП, АСКС, АСК применяются для ВЛ, проходящих вблизи морей, соленых озер и химических предприятий.
Самонесущие изолированные провода (СИП) применяются для ВЛ напряжением до 20 кВ. При напряжениях до 1 кВ (рис. 1.3,а) такой провод состоит из трех фазных многопроволочных алюминиевых жил 1. Четвертая жила 2 является несущей и одновременно нулевой. Фазные жилы скручены вокруг несущей таким образом, чтобы вся механическая нагрузка воспринималась несущей жилой, изготовляемой из прочного алюминиевого сплава АВЕ.
Рис. 1.3. Самонесущие изолированные провода
Фазная изоляция 3 выполняется из термопластичного светостабилизированного или сшитого светостабилизированного полиэтилена . Благодаря своей молекулярной структуре, такая изоляция обладает очень высокими термомеханическими свойствами и большой стойкостью к воздействию солнечной радиации и атмосферы. В некоторых конструкциях СИП нулевая несущая жила выполняется с изоляцией.
Конструкция СИП для напряжений выше 1 кВ приведена на рис. 1.3,б. Такой провод выполняется однофазным и состоит из
токоведущей сталеалюминиевой жилы 1 и изоляции 2, выполненной из сшитого светостабилизированного полиэтилена.
ВЛ с СИП по сравнению с традиционными ВЛ имеют следующие преимущества:
меньшие потери напряжения (улучшение качества электроэнергии), благодаря меньшему, приблизительно в три раза, реактивному сопротивлению трехфазных СИП;
не требуют изоляторов; практически отсутствует гололедообразование;
допускают подвеску на одной опоре нескольких линий различного напряжения;
меньшие расходы на эксплуатацию, благодаря сокращению, приблизительно на 80%, объемов аварийно-восстановительных работ; возможность использования более коротких опор благодаря
меньшему допустимому расстоянию от СИП до земли; уменьшение охранной зоны, допустимых расстояний до зданий и
сооружений, ширины просеки в лесистой местности; практическое отсутствие возможности возникновения пожара в
лесистой местности при падении провода на землю; высокая надежность (5-кратное снижение числа аварий по
сравнению с традиционными ВЛ); полная защищенность проводника от воздействия влаги и
коррозии.
Стоимость ВЛ с самонесущими изолированными проводами выше, чем традиционных ВЛ.
Провода ВЛ напряжением 35 кВ и выше защищаются от прямого удара молнии грозозащитным тросом , закрепляемым в верхней части опоры (см. рис. 1.1). Грозозащитные тросы являются элементами ВЛ, аналогичными по своей конструкции многопроволочным монометаллическим проводам. Тросы выполняют из стальных оцинкованных проволок. Номинальные сечения тросов соответствуют шкале номинальных сечений проводов. Минимальное сечение грозозащитного троса 35 мм2 .
При использовании грозозащитных тросов в качестве высокочастотных каналов связи вместо стального троса используется сталеалюминиевый провод с мощным стальным сердечником, сечение которого соизмеримо или больше сечения алюминиевой части.
1.3. Опоры воздушных линий
Основное назначение опор - поддержка проводов на требуемой высоте над землей и наземными сооружениями. Опоры состоят из вертикальных стоек, траверс и фундаментов. Основными материалами, из которых изготавливаются опоры, являются древесина хвойных пород, железобетон и металл.
Опоры из древесины простые в изготовлении, транспортировке и эксплуатации, применяются для ВЛ напряжением до 220 кВ включительно в районах лесоразработок или близких к ним. Основной недостаток таких опор - подверженность древесины загниванию. Для увеличения срока службы опор древесину просушивают и пропитывают антисептиками, препятствующими развитию процесса гниения.
Вследствие ограниченной строительной длины древесины, опоры выполняют составными (рис 1.4,а). Деревянную стойку 1 сочленяют металлическими бандажами 2 с железобетонной приставкой 3. Нижняя часть приставки заглубляется в грунте. Опоры, соответствующие рис. 1.4,а, применяются на напряжение до 10 кВ включительно. На более высокие напряжения опоры из древесины выполняют П-образными (портальными). Такая опора показана на рис. 1.4,б.
Следует отметить, что в современных условиях необходимости сохранения лесов целесообразно сокращение применения опор из древесины.
Железобетонные опоры состоят из железобетонной стойки 1 и траверс 2 (рис. 1.4,в). Стойка представляет собой пустотелую конусную трубу с малым наклоном образующих конуса. Нижняя часть стойки заглубляется в грунте. Траверсы изготавливаются из стального оцинкованного проката. Эти опоры долговечнее опор из древесины, просты в обслуживании, требуют меньше металла, чем стальные опоры.
Основные недостатки опор из железобетона: большой вес, затрудняющий транспортировку опор в труднодоступные места трассы ВЛ, и относительно малая прочность бетона на изгиб.
Для увеличения прочности опор на изгиб при изготовлении железобетонной стойки используется предварительно напряженная (растянутая) стальная арматура.
Для обеспечения высокой плотности бетона при изготовлении стоек опор применяют виброуплотнение и центрифугирование бетона.
Стойки опор ВЛ напряжением до 35 кВ выполняют из вибробетона, при более высоких напряжениях - из центрифугированного бетона.
Рис. 1.4. Промежуточные опоры ВЛ
Стальные опоры обладают высокой механической прочностью и большим сроком службы. Эти опоры с помощью сварки и болтовых соединений собираются из отдельных элементов, поэтому имеется возможность создания опор практически любой конструкции (рис. 1.4,г). В отличие от опор из древесины и железобетона металлические опоры устанавливаются на железобетонных фундаментах 1.
Стальные опоры являются дорогими. Кроме того, сталь подвержена коррозии. Для увеличения срока службы опор их покрывают антикоррозийными составами и окрашивают. Очень эффективной против коррозии является горячая оцинковка стальных опор.
Опоры из алюминиевых сплавов эффективны при сооружении ВЛ в условиях труднодоступных трасс. Вследствие стойкости алюминия к коррозии, эти опоры не нуждаются в антикоррозийном покрытии. Однако высокая стоимость алюминия существенно ограничивает возможности использования таких опор.
При прохождении по определенной территории воздушная линия может менять направление, пересекать различные инженерные
сооружения и естественные преграды, подключаться к шинам распределительных устройств подстанций. На рис. 1.5 показан вид сверху фрагмента трассы ВЛ. Из этого рисунка видно, что разные опоры работают в разных условиях и, следовательно, должны иметь отличающуюся конструкцию. По конструктивному исполнению опоры делятся:
на промежуточные (опоры 2, 3, 7), устанавливаемые на прямом участке ВЛ;
угловые (опора 4), устанавливаемые на поворотах трассы ВЛ; концевые (опоры 1 и 8), устанавливаемые в начале и конце ВЛ; переходные (опоры 5 и 6), устанавливаемые в пролете
пересечения воздушной линией какого-либо инженерного сооружения, например железной дороги.
Рис. 1.5. Фрагмент трассы ВЛ
Промежуточные опоры предназначены для поддерживания проводов на прямом участке ВЛ. Провода с этими опорами не имеют жесткого соединения, так как крепятся с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов. На эти опоры действуют силы тяжести проводов, тросов, гирлянд изоляторов, гололеда, а также ветровые нагрузки. Примеры промежуточных опор приведены на рис. 1.4.
На концевые опоры дополнительно воздействует сила тяжения Т проводов и тросов, направленная вдоль линии (рис. 1.5). На угловые опоры дополнительно воздействует сила тяжения Т проводов и тросов, направленная по биссектрисе угла поворота ВЛ.
Переходные опоры в нормальном режиме ВЛ выполняют роль промежуточных опор. Эти опоры принимают на себя тяжение проводов и тросов при их обрыве в соседних пролетах и исключают недопустимое провисание проводов в пролете пересечения.
Концевые, угловые и переходные опоры должны быть достаточно жесткими и не должны отклоняться от вертикального
положения при воздействии на них силы тяжения проводов и тросов. Такие опоры выполняются в виде жестких пространственных ферм или с применением специальных тросовых растяжек и называются анкерными опорами . Провода с анкерными опорами имеют жесткое соединение, так как крепятся с помощью натяжных гирлянд изоляторов.
Рис. 1.6. Анкерные угловые опоры ВЛ
Анкерные опоры из древесины выполняются А-образными при напряжениях до 10 кВ и АП-образными при более высоких напряжениях. Железобетонные анкерные опоры имеют специальные тросовые растяжки (рис. 1.6,а). Металлические анкерные опоры имеют более широкую базу (нижнюю часть), чем промежуточные опоры (рис. 1.6,б).
По количеству проводов, подвешиваемых на одной опоре, различают одноцепные и двухцепные опоры . На одноцепных опорах подвешивается три провода (одна трехфазная цепь), на двухцепных - шесть проводов (две трехфазных цепи). Одноцепные опоры приведены на рис. 1.4,а,б,г и рис. 1.6,а; двухцепные - на рис. 1.4,в и рис. 1.6,б.
Двухцепная опора по сравнению с двумя одноцепными является более дешевой. Надежность передачи электроэнергии по двухцепной линии несколько ниже, чем по двум одноцепным.
Опоры из древесины в двухцепном исполнении не изготовляются. Опоры ВЛ напряжением 330 кВ и выше изготовляются только в одноцепном исполнении с горизонтальным расположением проводов (рис. 1.7). Такие опоры изготовляются П- образными (портальными) или V-образными с тросовыми растяжками.
Рис. 1.7. Опоры ВЛ напряжением 330 кВ и выше
Среди опор ВЛ отдельно выделяются опоры, имеющие специальную конструкцию. Это ответвительные, повышенные и транспозиционные опоры. Ответвительные опоры предназначены для промежуточного отбора мощности от ВЛ. Повышенные опоры устанавливаются в больших пролетах, например, при переходе через широкие судоходные реки. На транспозиционных опорах осуществляется транспозиция проводов.
Несимметричное расположение проводов на опорах при большой длине ВЛ приводит к несимметрии напряжений фаз. Симметрирование фаз за счет изменения взаимного расположения проводов на опоре называется транспозицией. Транспозиция предусматривается на ВЛ напряжением 110 кВ и выше длиной более 100 км и осуществляется на специальных транспозиционных опорах. Провод каждой фазы проходит первую треть длины ВЛ на одном, вторую треть - на другом и третью - на третьем месте. Такое перемещение проводов называется полным циклом транспозиции