Воздушные линии электропередачи (ВЛ) предназначены для передачи электроэнергии на расстояние по проводам. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода, тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. Провода служат для передачи электроэнергии. В верхней части опор над проводами для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений монтируют грозозащитные тросы. Опоры поддерживают провода и тросы на определенной высоте над уровнем земли или воды. Изоляторы изолируют провода от опоры. С помощью линейной арматуры провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опорах. В некоторых случаях провода ВЛ с помощью изоляторов и линейной арматуры прикрепляются к кронштейнам инженерных сооружений. Наибольшее распространение получили одно- и двухцепные ВЛ. Одна цепь трехфазной ВЛ состоит из проводов разных фаз. Две цепи могут располагаться на одних и тех же опорах.
На работу конструктивной части ВЛ оказывают воздействие механические нагрузки от собственного веса проводов и тросов, от гололедных образований на проводах, тросах и опорах, от давления ветра, а также из-за изменений температуры воздуха. Из-за воздействия ветра возникает вибрация проводов (колебания с высокой частотой и незначительной амплитудой), а также пляска проводов (колебания с малой частотой и большой амплитудой). Указанные выше механические нагрузки, вибрации и пляска проводов могут приводить к обрыву проводов, поломке опор, схлестыванию проводов либо сокращению их изоляционных промежутков, что может привести к пробою или перекрытию изоляции. На повреждаемость ВЛ влияет и загрязнение воздуха.
Механическая прочность ВЛ – это способность проводов, грозозащитных тросов и опор выдерживать механические нагрузки, возникающие из-за собственного веса, ветра, гололедных образований, изменения температуры и других факторов. Механическая прочность ВЛ в значительной мере влияет на надежность работы электрической сети. Это относится к прочности как проводов, так и опор.
При проектировании конструктивной части ВЛ, сооружаемых на унифицированных и типовых опорах, выбираются конкретные конструкции опор всех необходимых типов, осуществляется их расстановка по трассе и проверка на прочность в расчетных режимах. Кроме того, при проектировании конструктивной части ВЛ рассчитываются по условиям механической прочности провода и грозозащитные тросы. Этот расчет включает определение: 1)механических нагрузок и сил, действующих на провода и тросы; 2)механических напряжений проводов и тросов в различных их точках и при различных условиях работы; 3)наибольших стрел провеса проводов и тросов. Результаты этих расчетов необходимы для проверки допустимости механических напряжений проводов и тросов, для выбора, расстановки и расчета опор ВЛ.
На ВЛ применяются, в большинстве случаев, неизолированные провода. Наибольшее распространение имеют провода алюминиевые, сталеалюминиевые, а также из сплавов алюминия – АН, АЖ. Медные и стальные провода применяются гораздо реже. В последние годы для ВЛ 0,38 кВ начинают применяться самонесущие изолированные провода. Грозозащитные тросы, как правило, выполняются из стали. В последние годы грозозащитные тросы используются для организации высокочастотных каналов связи. Такие тросы выполняются сталеалюминиевыми.
По конструкции провода для ВЛ разделяются на однопроволочные, многопроволочные и полые. Однопроволочный провод состоит из одной круглой проволоки. Такие провода дешевле многопроволочных, однако они менее гибки и имеют меньшую механическую прочность. Многопроволочные провода из одного металла состоят из нескольких свитых между собой проволок. При увеличении сечения растет число проволок. В многопроволочных проводах из двух металлов – сталеалюминиевых проводах – внутренние проволоки (сердечник провода) выполняются из стали, а верхние – из алюминия. Стальной сердечник увеличивает механическую прочность, алюминий же – токопроводящая часть провода. Полые провода изготовляют из плоских проволок, соединенных друг с другом в паз, что обеспечивает конструктивную прочность провода. У таких проводов больший по сравнению со сплошными диаметр, благодаря чему повышается напряжение появления коронирующего разряда на проводах и значительно снижаются потери энергии на корону. Полые провода на ВЛ применяются редко, они главным образом используются для ошиновки подстанций 330 кВ и выше. Для снижения потерь электроэнергии на корону ВЛ при Uном³330 кВ каждая фаза ВЛ расщепляется на несколько проводов.
Алюминий, как основной материал для проводов ВЛ, имеет относительно малую механическую прочность. Алюминиевые однопроволочные провода для ВЛ вообще не выпускаются из-за их низкой прочности. Многопроволочные алюминиевые провода обычно применяют только в распределительных сетях напряжением до 35 кВ, а в сетях с более высоким напряжением используются сталеалюминиевые провода.
Основные марки алюминиевых проводов – А и АКП. Провод марки А состоит из алюминиевых проволок одного диаметра (от 7 до 61), скрученных концентрическими повивами. Провод АКП – провод марки А, но его межпроволочное пространство заполнено нейтральной смазкой повышенной термостойкости, противодействующей появлению коррозии. Коррозионно-стойкий провод АКП применяется для ВЛ вблизи морских побережий, соленых озер и химических предприятий.
Провода из сплавов алюминия (АН – нетермообработанный, АЖ – термообработанный сплав) имеют большую механическую прочность и примерно такую же проводимость, как и провода марки А.
Коррозионно-стойкие провода имеют марки АНКП и АЖКП.
Сталеалюминиевые провода наиболее широко применяются на ВЛ. Проводимость стального сердечника не учитывается, а за электрическое сопротивление принимается только сопротивление алюминиевой части. Основные марки сталеалюминиевых проводов – АС, АСКС, АСКП, АСК. Провод марки АС состоит из стального сердечника и алюминиевых проволок. Провод предназначается для ВЛ при прокладке их на суше, кроме районов с загрязненным вредными химическими соединениями воздухом. Коррозионно-стойкие провода АСКС, АСКП, АСК предназначены для ВЛ, проходящих по побережьям морей, соленых озер и в промышленных районах с загрязненным воздухом. АСКС и АСКП – это провода марки АС, но межпроволочное пространство стального сердечника (С) или всего провода (П) заполнено нейтральной смазкой повышенной термостойкости. АСК – провод марки АСКС, но стальной сердечник изолирован двумя лентами полиэтиленовой пленки.
Площади поперечного сечения проводов для ВЛ соответствуют стандартному ряду значений (в мм2): 10, 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 185, 240, 300, 400, 500,
В обозначении марки провода вводится его номинальное сечение, для сталеалюминиевых проводов – сечение алюминиевой части провода и сечение стального сердечника. Например: А 35, АН 50, АЖКП 70, АС 120/19, АСКС 150/34.
Самонесущие изолированные провода для ВЛ имеют целый ряд преимуществ: повышенную надежность, значительное сокращение общих эксплуатационных расходов, существенное уменьшение ширины просеки при строительстве, отсутствие гололедных образований, общее снижение потерь энергии в ВЛ. За рубежом такие провода используются более трех десятков лет, в основном в распределительных сетях напряжением 0,38-10 кВ. Отечественной промышленностью разработаны самонесущие изолированные провода СИП-1 и СИП-2 на переменное напряжение до 1 кВ и СИП-3 на переменное напряжение до 20 кВ. Провода имеют изоляцию из светостабилизированного термопластичного полиэтилена (СИП-1, СИП-1А) или из светостабилизированного сшитого полиэтилена (СИП-2, СИП-2А и СИП-3). При использовании проводов для ВЛ 0,38 кВ нулевая несущая жила (из алюминиевого сплава) может быть неизолированной (СИП-1, СИП-2) или изолированной (СИП-1А, СИП-2А). Номинальные сечения алюминиевых фазных жил проводов: 16-120 мм2 (СИП-1, СИП-2) и 50-150 мм2 (СИП-3), сечения несущих нулевых жил проводов из алюминиевого сплава 25-95 мм2 (СИП-1, СИП-2).
Линейные изоляторы предназначены для изоляции и крепления проводов на ВЛ и в распределительных устройствах электрических станций и подстанций. По конструкции изоляторы разделяют на штыревые и подвесные, изготовляются из фарфора или закаленного стекла.
Штыревые изоляторы применяются на ВЛ напряжением до 1 кВ, на ВЛ 6-10 кВ, иногда на ВЛ 35 кВ. Изоляторы изготовляют одноэлементными (Uном£6-10 кВ) и двухэлементными (Uном=20-35 кВ). В условном обозначении изолятора буквы и цифры обозначают: Ш – штыревой; Ф (С) – фарфоровый (стеклянный); цифра – номинальное напряжение, кВ; последняя буква А, Б, В – исполнение изолятора.
Подвесной изолятор тарельчатого типа наиболее распространен на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. В условном обозначении изолятора буквы и цифры означают: П –подвесной; Ф (С) – фарфоровый (стеклянный); Г – для загрязненных районов; цифра – класс изолятора, кН (класс изолятора соответствует электромеханической разрушающей нагрузке); А, Б, В – исполнение изолятора. Подвесные изоляторы собирают в гирлянды, которые бывают поддерживающими и натяжными. Первые монтируют на промежуточных опорах, вторые – на анкерных. Число изоляторов в гирлянде зависит от напряжения линии. Например, в поддерживающих гирляндах ВЛ с металлическими и железобетонными опорами 35 кВ должно быть 3 изолятора, 110 кВ – (6-8) изоляторов, 220 кВ – (10-14) изоляторов и т.д.
Линейная арматура, применяемая для крепления проводов к изоляторам и изоляторов к опорам, делится на следующие основные виды: зажимы (применяются для закрепления проводов в гирляндах подвесных изоляторов), сцепную арматуру (для подвески гирлянд на опорах и соединения многоцепных гирлянд друг с другом) и соединители (для соединения проводов и тросов в пролете).
Зажимы для закрепления проводов и тросов в гирляндах подвесных изоляторов подразделяются на поддерживающие (подвешиваемые на промежуточных опорах) и натяжные (применяемые на опорах анкерного типа).
Сцепная арматура включает скобы, серьги и ушки. Скоба предназначена для присоединения гирлянды к траверсе опоры или к закрепляемым на траверсе деталям. Серьга с одной стороны соединяется со скобой или с деталью на траверсе, а с другой стороны вставляется в шапку верхнего изолятора гирлянды. К нижнему изолятору гирлянды за ушко прикреплен поддерживающий зажим, в котором помещен провод линии.
На ВЛ участки проводов определенной длины соединяют друг с другом с помощью соединителей, подразделяемых на овальные и прессуемые. Овальные соединители применяются для проводов сечением до 185 мм2 включительно. В них провода укладываются внахлест, после чего производится обжатие соединителя с помощью специальных клещей. Сталеалюминиевые провода сечением до 95 мм2 включительно закрепляются в соединителях методом скручивания. Прессуемые соединители используются для соединения проводов сечением 240 мм2 и более и стальных тросов всех сечений. Для сталеалюминиевых проводов эти зажимы состоят из двух трубок: одной – стальной (предназначенной для соединения внутренних стальных жил) и другой – алюминиевой (накладываемой поверх первой и служащей для соединения наружных алюминиевых жил.
К проводам ВЛ вблизи от зажимов подвешиваются гасители вибрации с грузом или демпфирующие петли, применение которых уменьшает вибрацию и позволяет предотвратить излом проволок провода.
На проводах ВЛ 330-750 кВ применяются распорки для фиксации проводов расщепленной фазы относительно друг друга. Эти распорки обеспечивают требуемое расстояние между отдельными проводами фазы и предохраняют их от схлестывания, соударения и закручивания.
Опоры ВЛ делятся на анкерные и промежуточные. Опоры этих двух основных групп различаются способом подвески проводов. На промежуточных опорах провода подвешиваются с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов. Опоры анкерного типа служат для натяжения проводов, на этих опорах провода подвешиваются с помощью натяжных гирлянд. Расстояние между промежуточными опорами называется промежуточным пролетом или просто пролетом, а расстояние между анкерными опорами – анкерным пролетом.
Анкерные опоры предназначены для жесткого закрепления проводов в особо ответственных точках ВЛ: на пересечениях особо важных инженерных сооружений (железных дорог, ВЛ 330-500 кВ, автомобильных дорог шириной проезжей части более 15 м и т.д.), на концах ВЛ и на концах прямых её участков. Анкерные опоры на прямых участках трассы ВЛ при подвеске проводов с обеих сторон от опоры с одинаковыми тяжениями в нормальных режимах работы ВЛ выполняют те же функции, что и промежуточные опоры. Но анкерные опоры рассчитываются также и на восприятие значительных тяжений по проводам и тросам при обрыве части из них в примыкающем пролете. Анкерные опоры значительно сложнее и дороже промежуточных и поэтому число их на каждой линии должно быть минимальным. В наихудших условиях находятся концевые анкерные опоры, устанавливаемые при выходе линии с электростанции или на подходах к подстанции. Эти опоры испытывают одностороннее тяжение всех проводов со стороны линии, так как тяжение проводов со стороны портала подстанции незначительно.
Промежуточные опоры устанавливаются на прямых участках ВЛ для поддержания провода в анкерном пролете. Промежуточная опора дешевле и проще в изготовлении, чем анкерная, так как благодаря одинаковому тяжению проводов по обеим сторонам она при необорванных проводах, т.е. в нормальном режиме, не испытывает усилий вдоль линии. Промежуточные опоры составляют не менее 80-90% общего числа опор ВЛ.
Угловые опоры устанавливают в точках поворота линии. Углом поворота линии называется угол в плане линии, дополнительный до 180° к внутреннему углу линии. Траверсы угловой опоры устанавливают по бессектрисе внутреннего угла линии. Угловые опоры могут быть анкерного и промежуточного типа. На них действуют нагрузки от поперечных составляющих тяжения проводов и тросов. Чаще всего при углах поворота линий до 20° применяют угловые опоры анкерного типа.
На ВЛ применяются специальные опоры следующих типов: транспозиционные – для изменения порядка расположения проводов на опорах; ответвительные – для выполнения ответвлений от основной линии; переходные – для пересечения рек, ущелий и т.д. Транспозицию применяют на линиях напряжением 110 кВ и выше протяженностью более 100 км для того, чтобы сделать ёмкость и индуктивность всех трех фаз цепи ВЛ одинаковыми. При этом последовательно меняют на опорах взаимное расположение проводов по отношению друг к другу на разных участках линии. Провод каждой фазы проходит одну треть длины линии на одном, вторую – на другом и третью – на третьем месте. Одно такое тройное перемещение проводов называют циклом транспозиции.
Наиболее распространенные расположения проводов и грозозащитных тросов на опорах: треугольником, горизонтальное, обратной ёлкой и бочкой. Расположение проводов треугольником применяют на одноцепных ВЛ 35-330 кВ с металлическими и железобетонными опорами. Горизонтальное расположение проводов используют на ВЛ 35-220 кВ с деревянными опорами и на ВЛ 330 кВ, в основном, в гололедных районах. Это расположение проводов позволяет применять более низкие опоры и уменьшает вероятность схлестывания проводов при образовании гололёда и пляске проводов. На двухцепных ВЛ расположение проводов обратной ёлкой удобнее по условиям монтажа, но увеличивает массу опор и требует подвески двух защитных тросов. Наиболее экономичны и распространены в РФ на двухцепных ВЛ 35-330 кВ стальные и железобетонные опоры с расположением проводов бочкой.
Деревянные опоры в РФ широко применяют на ВЛ до 110 кВ включительно. Разработаны деревянные опоры также и для ВЛ 220 кВ, но они не нашли широкого распространения. Достоинство этих опор - малая стоимость и простота изготовления. Недостаток – подверженность древесины гниению, особенно в месте соприкосновения с почвой. Эффективное средство против гниения – пропитка специальными антисептиками.
Металлические опоры (стальные), применяемые на линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше, достаточно металлоемкие и требуют окраски в процессе эксплуатации для защиты от коррозии. Устанавливают металлические опоры на железобетонных фундаментах. Эти опоры по конструктивному решению тела опоры могут быть отнесены к двум основным схемам – башенным или одностоечным и портальным, а по способу закрепления на фундаментах – к свободностоящим опорам и опорам на оттяжках. Независимо от конструктивного решения и схемы металлические опоры выполняются в виде пространственных решетчатых конструкций. Анкерные опоры отличаются от промежуточных увеличенными вылетами траверс и усиленной конструкцией тела опоры.
Железобетонные опоры долговечнее деревянных, требуют меньше металла, чем металлические, просты в обслуживании и поэтому широко применяются на ВЛ до 500 кВ включительно. При изготовлении железобетонных опор для обеспечения необходимой плотности бетона применяются виброуплотнение и центрифугирование. На ВЛ 110 кВ и выше стойки опор и траверсы портальных опор – центрифугированные трубы, конические или цилиндрические. На ВЛ 35 кВ стойки - центрифугированные или из вибробетона, а для ВЛ более низкого напряжения – только из вибробетона. Траверсы одностоечных опор – металлические оцинкованные. Одностоечные опоры 6-10 кВ и 35-220 кВ бывают как свободностоящие (промежуточные), так и на оттяжках (анкерные угловые). Портальные опоры как свободностоящие, так и на растяжках применяются на ВЛ 330-500 кВ. Провод каждой фазы ВЛ 500 кВ расщеплен на три провода.
Силовые кабели состоят из одной или нескольких токопроводящих жил, отделенных друг от друга и от земли изоляцией. Поверх изоляции для её предохранения от влаги, кислот и механических повреждений накладывают защитную оболочку и стальную ленточную броню с защитными покровами. На переменном токе до 1 кВ применяют четырехжильные кабели, в сетях переменного тока 6-35 кВ – трехжильные, кабели 110 кВ и выше – одножильные. На постоянном токе применяют одножильные и двухжильные кабели. Кабели с бумажной пропитанной фазной и поясной изоляцией и общей металлической оболочкой применяют на напряжение до 10 кВ. Трехжильные кабели на напряжение 35 кВ состоят из отдельно освинцованных или экранированных жил. Газонаполненные кабели применяются при напряжении 10-110 кВ. Это освинцованные кабели с изолирующей бумагой, пропитанной относительно малым количеством компаунда. Кабель находится под небольшим избыточным давлением инертного газа (обычно азота), что значительно повышает изолирующие свойства бумаги. Кабели переменного тока 110-220 кВ изготовляют маслонаполненными и, как правило, одножильными.
Буквы в обозначении марки кабеля означают: первая – материал токопроводящих жил (А – алюминий, ÿ - медь); вторая – материал оболочки (А – алюминий, С – свинец, В – поливинилхлорид, Н – найрит, П – полиэтилен, ОС – для кабелей с отдельно освинцованными жилами); наличие бронированных защитных покровов обозначается буквами: Б – стальные ленты; П – плоские стальные оцинкованные проволоки, К - такие же проволоки, но круглые. Отсутствие защитного слоя обозначается буквой Г. Маслонаполненные кабели низкого давления обозначаются буквами МН в начале марки, кабели высокого давления – буквами МВД. Рядом с маркой кабеля обычно указывают число и сечение токоведущих жил кабеля.
Кабельная арматура предназначена для герметизации кабелей в местах соединений и оконцеваний и разделяется на соединительные и концевые муфты и концевые заделки.
Прокладка кабелей осуществляется в помещениях и вне их. Вне помещений кабели обычно прокладывают в земляных траншеях. На дно траншеи насыпают мягкую подушку из просеянной земли или песка. Кабель засыпают слоем мягкого грунта, а затем для защиты от механических повреждений покрывают кирпичом или бетонными плитами. После этого кабельную траншею засыпают землей и послойно утрамбовывают. На переходах через автомобильные дороги и под железнодорожными путями кабель прокладывают в асбестоцементных или бетонных трубах. При прокладке большого количества кабелей применяют коллекторы, туннели, каналы и блоки.
Кабельные линии имеют следующие преимущества по сравнению с воздушными: более длительный срок службы, отсутствие потребности в материалах для опор; большая надежность эксплуатации из-за отсутствия внешних атмосферных воздействий, таких, как ветер, гололёд, грозовые перенапряжения; отсутствие опор и проводов, загромождающих поля и улицы; значительное снижение опасности для людей и животных в случае аварии кабельной линии.
К недостаткам кабельных линий, существенно ограничивающим их применение в сельском хозяйстве, относят: более высокую стоимость кабельной сети по сравнению с воздушной; потребность в более квалифицированной рабочей силе при сооружении и эксплуатации кабельных линий; сложность нахождения и исправления повреждений.
Несмотря на перечисленные недостатки кабельных линий, их следует применять в южных безлесных сельских районах, где они постепенно вытеснят воздушные линии.
ЛЕКЦИЯ 3