Воздушные линии электропередачи

Воздушными называются линии, предназначенные для передачи и рас­пределения ЭЭ по проводам, расположенным на открытом воздухе и под­держиваемым с помощью опор и изоляторов. Воздушные ЛЭП сооружаются и эксплуатируются в самых разнообразных климатических условиях и гео­графических районах, подвержены атмосферному воздействию (ветер, голо­лед, дождь, изменение температуры).

В связи с этим ВЛ должны сооружаться с учетом атмосферных явлений, загрязнения воздуха, условий прокладки (слабозаселенная местность, территория города, предприятия) и др. Из ана­лиза условий ВЛ следует, что материалы и конструкции линий должны удовлетворять ряду требований: экономически приемлемой стоимостью, хо­рошей электропроводностью и достаточной механической прочностью мате­риалов проводов и тросов, стойкостью их к коррозии, химическим воздействиям; линии должны быть электрически и экологически безопасны, занимать минимальную территорию.

Конструктивное исполнение воздушных линий. Основными конст­руктивными элементами ВЛ являются опоры, провода, грозозащитные тро­сы, изоляторы и линейная арматура.

По конструктивному исполнению опор наиболее распространены одно-и двухцепные ВЛ. На трассе линии могут сооружаться до четырех цепей. Трасса линии - полоса земли, на которой сооружается линия. Одна цепь вы­соковольтной ВЛ объединяет три провода (комплекта проводов) трехфазной линии, в низковольтной - от трех до пяти проводов. В целом конструктивная часть ВЛ (рис. 3.1) характеризуется типом опор, длинами пролетов, габарит­ными размерами, конструкцией фаз, количеством изоляторов.

Длины пролетов ВЛ l выбирают по экономическим соображениям, т. к. с увеличением длины пролета возрастает провис проводов, необходимо уве­личить высоту опор H, чтобы не нарушить допустимый габарит линии h (рис. 3.1, б), при этом уменьшится количество опор и изоляторов на линии. Габарит линии - наименьшее расстояние от нижней точки провода до земли (воды, полотна дороги) должно быть таким, чтобы обеспечить безопасность движения людей и транспорта под линией.

Это расстояние зависит от номи­нального напряжения линии и условий местности (населенная, ненаселен­ная). Расстояние между соседними фазами линии зависит главным образом от ее номинального напряжения. Конструкция фазы ВЛ в основном опреде­ляется количеством проводов в фазе. Если фаза выполнена несколькими про­водами, она называется расщепленной. Расщепленными выполняют фазы ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения. При этом в одной фазе используют два провода при 330 (220) кВ, три - при 500 кВ, четыре-пять - при 750 кВ, восемь, одиннадцать - при 1150 кВ.

Опоры воздушных линий. Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой, или каким-то инженерным сооружением. Кроме того, на опорах в необходимых случаях подвешивают стальные заземленные тросы для защиты прово­дов от прямых ударов молнии и связанных с этим перенапряжений.

Типы и конструкции опор разнообразны. В зависимости от назначения и размещения на трассе ВЛ они подразделяются на промежуточные и анкер­ные. Отличаются опоры материалом, исполнением и способом крепления, подвязки проводов. В зависимости от материала они бывают деревянные, железобетонные и металлические.

Промежуточные опоры наиболее простые, служат для поддерживания проводов на прямых участках линии. Они встречаются наиболее часто; доля их в среднем составляет 80-90 % общего числа опор ВЛ. Провода к ним кре­пят с помощью поддерживающих (подвесных) гирлянд изоляторов или шты­ревых изоляторов. Промежуточные опоры в нормальном режиме испытыва­ют нагрузку в основном от собственного веса проводов, тросов и изоляторов, подвесные гирлянды изоляторов свисают вертикально.

Анкерные опоры устанавливают в местах жесткого крепления прово­дов; они делятся на концевые, угловые, промежуточные и специальные. Ан­керные опоры, рассчитанные на продольные и поперечные составляющие тяжения проводов (натяжные гирлянды изоляторов расположены горизон­тально), испытывают наибольшие нагрузки, поэтому они значительно слож­нее и дороже промежуточных; число их на каждой линии должно быть ми­нимальным.

В частности, концевые и угловые опоры, устанавливаемые в конце или на повороте линии, испытывают постоянное тяжение проводов и тросов: одно­стороннее или по равнодействующей угла поворота; промежуточные анкер­ные, устанавливаемые на протяженных прямых участках, также рассчитыва­ются на одностороннее тяжение, которое может возникнуть при обрыве час­ти проводов в примыкающем к опоре пролете.

Специальные опоры бывают следующих типов: переходные - для больших пролетов пересечения рек, ущелий; ответвительные - для выполне­ния ответвлений от основной линии; транспозиционные - для изменения по­рядка расположения проводов на опоре.

Наряду с назначением (типом) конструкция опоры определяется коли­чеством цепей ВЛ и взаимным расположением проводов (фаз). Опоры (и ли­нии) выполняются в одно- или двухцепном варианте, при этом провода на опорах могут размещаться треугольником, горизонтально, обратной «елкой» и шестиугольником или «бочкой» (рис. 3.2).

Несимметричное расположение фазных проводов по отношению друг к другу (рис. 3.2) обусловливает неодинаковость индуктивностей и емкостей разных фаз. Для обеспечения симметрии трехфазной системы и выравнива­ния по фазам реактивных параметров на длинных линиях (более 100 км) на­пряжением 110 кВ и выше осуществляют перестановку (транспозицию) про­водов в цепи с помощью соответствующих опор.

При полном цикле транспозиции каждый провод (фаза) равномерно по длине линии занимает последовательно положение всех трех фаз на опоре (рис. 3.3).

Деревянные опоры (рис. 3.4) изготавливают из сосны или лиственницы и применяют на линиях напряжением до 110 кВ в лесных районах, в настоящее время все меньше. Основными элементами опор являются пасынки (пристав­ки) 1, стойки 2, траверсы 3, раскосы 4, подтраверсные брусья 6 и ригели 5. Опоры просты в изготовлении, дешевы, удобны в транспортировке. Основ­ной их недостаток - недолговечность из-за гниения древесины, несмотря на ее обработку антисептиком. Применение железобетонных пасынков (приста­вок) увеличивает срок службы опор до 20-25 лет.

Железобетонные опоры (рис. 3.5) наиболее широко применяются на линиях напряжением до 750 кВ. Они могут быть свободностоящие (проме­жуточные) и с оттяжками (анкерные). Железобетонные опоры долговечнее деревянных, просты в эксплуатации, дешевле металлических.

Металлические (стальные) опоры (рис. 3.6) применяют на линиях на­пряжением 35 кВ и выше. К основным элементам относятся стойки 1, тра­версы 2, тросостойки 3, оттяжки 4 и фундамент 5. Они прочны и надежны, но достаточно металлоемкие, занимают большую площадь, требуют для уста­новки сооружения специальных железобетонных фундаментов и в процессе эксплуатации должны окрашиваться для предохранения от коррозии.

Металлические опоры используются в тех случаях, когда технически сложно и неэкономично сооружать ВЛ на деревянных и железобетонных опорах (переходы через реки, ущелья, выполнение отпаек от ВЛ и т. п.).

В России разработали унифицированные металлические и железобе­тонные опоры различных типов для ВЛ всех напряжений, что позволяет се­рийно их производить, ускорять и удешевлять сооружение линий.

Провода воздушных линий.

Провода предназначены для передачи электроэнергии. Наряду с хорошей электропроводностью (возможно мень­шим электрическим сопротивлением), достаточной механической прочно­стью и устойчивостью против коррозии должны удовлетворять условиям экономичности. С этой целью применяют провода из наиболее дешевых ме­таллов - алюминия, стали, специальных сплавов алюминия. Хотя медь об­ладает наибольшей проводимостью, медные провода из-за значительной стоимости и потребности для других целей в новых линиях не используют­ся.

Их использование допускается в контактных сетях, в сетях горных предприятий.

На ВЛ применяются преимущественно неизолированные (голые) про­вода. По конструктивному исполнению провода могут быть одно- и много­проволочными, полыми (рис. 3.7). Однопроволочные, преимущественно стальные провода, используются ограниченно в низковольтных сетях. Для придания гибкости и большей механической прочности провода изготавли­вают многопроволочными из одного металла (алюминия или стали) и из двух металлов (комбинированные) - алюминия и стали. Сталь в проводе увеличи­вает механическую прочность.

Исходя из условий механической прочности, алюминиевые провода марок А и АКП (рис. 3.7) применяют на ВЛ напряжением до 35 кВ. Воздушные линии 6–35 кВ могут также выполняться сталеалюминиевыми проводами, а выше 35 кВ линии монтируются исключительно сталеалюминиевыми проводами.

Сталеалюминиевые провода имеют вокруг стального сердечника повивы из алюминиевых проволок. Площадь сечения стальной части обычно в 4-8 раз меньше алюминиевой, но сталь воспринимает около 30-40 % всей механической нагрузки; такие провода используются на линиях с длинными пролетами и на территориях с более тяжелыми климатическими условиями (с большей толщиной стенки гололеда).

В марке сталеалюминиевых прово­дов указывается сечение алюминиевой и стальной части, например, АС 70/11, а также данные об антикоррозийной защите, например, АСКС, АСКП - такие же провода, как и АС, но с заполнителем сердечника (С) или всего провода (П) антикоррозийной смазкой; АСК - такой же провод, как и АС, но с сердечником, покрытым полиэтиленовой плёнкой. Провода с антикорро­зийной защитой применяются в районах, где воздух загрязнен примесями, действующими разрушающе на алюминий и сталь. Площади сечения прово­дов нормированы Государственным стандартом.

Повышение диаметров проводов при неизменности расходования про­водникового материала может осуществляться применением проводов с на­полнителем из диэлектрика и полых проводов (рис. 3.7, г, д). Такое использо­вание снижает потери на коронирование (см. п. 2.2). Полые провода исполь­зуются главным образом для ошиновки распределительных устройств 220 кВ и выше.

Провода из сплавов алюминия (АН - нетермообработанные, АЖ - термообработанные) 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.

Всё большее применение находят ВЛ с самонесущими изолированны­ми проводами напряжением 0,38-10 кВ. В линиях напряжением 380/220 В провода состоят из несущего неизолированного провода, являющегося нуле­вым, трёх изолированных фазных проводов, одного изолированного провода (любой фазы) наружного освещения. Фазные изолированные провода навиты вокруг несущего нулевого провода (рис. 3.8).

Несущий провод является сталеалюминиевым, а фазные - 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.

Грозозащитные тросы наряду с искровыми промежутками, разрядни­ками, ограничителями напряжений и устройствами заземления служат для защиты линии от атмосферных перенапряжений (грозовых разрядов). Тросы подвешивают над фазными проводами (рис. 3.5) на ВЛ напряжением 35 кВ и выше в зависимости от района по грозовой деятельности и материала опор, что регламентируется Правилами устройств электроустановок (ПУЭ).

В каче­стве грозозащитных проводов обычно применяют стальные оцинкованные канаты марок С 35, С 50 и С 70, а при использовании тросов для высокочас­тотной связи - сталеалюминевые провода. Крепление тросов на всех опорах ВЛ напряжением 220-750 кВ должно быть выполнено при помощи изолято­ра, шунтированного искровым промежутком. На линиях 35-110 кВ крепле­ние тросов к металлическим и железобетонным промежуточным опорам осуществляется без изоляции троса.

Изоляторы воздушных линий. Изоляторы предназначены для изоля­ции и крепления проводов. Изготавливаются они из фарфора и 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 рассыпается. Это облегчает нахождение поврежденных изоля­торов на линии.

По конструкции, способу закрепления на опоре изоляторы разделяют на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы (рис. 3.9, а, б) применяются для линий напряжением до 10 кВ и редко (для малых сечений) 35 кВ. Они крепятся к опорам при помощи крюков или штырей. Подвесные изоляторы (рис. 3.9, 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.

Изоляторы собираются в гирлянды (рис. 3.9, г): поддерживающие на промежуточных опорах и натяж­ные - на анкерных. Количество изоляторов в гирлянде зависит от напряже­ния, типа и материала опор, загрязнённости атмосферы. Например, в линии 35 кВ - 3-4 изолятора, 220 кВ - 12-14; на линиях с деревянными опорами, обладающих повышенной грозоупорностью, количество изоляторов в гир­лянде на один меньше, чем на линиях с металлическими опорами; в натяж­ных гирляндах, работающих в наиболее тяжелых условиях, устанавливают на 1-2 изолятора больше, чем в поддерживающих.

Разработаны и проходят опытную промышленную проверку изоляторы с использованием полимерных материалов. Они представляют собой стерж­невой элемент из стеклопластика, защищённый покрытием с ребрами из фто­ропласта или кремнийорганической резины. Стержневые изоляторы по срав­нению с подвесными имеют меньший вес и стоимость, более высокую меха­ническую прочность, чем из закалённого стекла. Основная проблема - обес­печить возможность их длительной (более 30 лет) работы.

Линейная арматура предназначена для закрепления проводов к изоля­торам и тросов к опорам и содержит следующие основные элементы: зажи­мы, соединители, дистанционные распорки и др. (рис. 3.10).

Поддерживающие зажимы применяют для подвески и закрепления проводов ВЛ на промежуточных опорах с ограниченной жёсткостью заделки (рис. 3.10, а). На анкерных опорах для жёсткого крепления проводов исполь­зуют натяжные гирлянды и натяжные зажимы - натяжные и клиновые (рис. 3.10, б, в). Сцепная арматура (серьги, ушки, скобы, коромысла) предна­значена для подвески гирлянд на опорах. Поддерживающая гирлянда (рис. 3.10, г) закрепляется на траверсе промежуточной опоры с помощью серьги 1, вставляемой другой стороной в шапку верхнего подвесного изоля­тора 2. Ушко 3 используется для прикрепления к нижнему изолятору гирлян­ды поддерживающего зажима 4.

Дистанционные распорки (рис. 3.10, д), устанавливаемые в пролётах линий 330 кВ и выше с расщепленными фазами, предотвращают схлестывание, соударения и закручивание отдельных проводов фаз. Соединители при­меняются для соединения отдельных участков провода с помощью овальных или прессующих соединителей (рис. 3.10, е, ж). В овальных соединителях провода либо скручиваются, либо обжимаются; в прессуемых соединителях, применяемых для соединения сталеалюминиевых проводов больших сече­ний, стальная и алюминиевые части опрессовываются отдельно.

Результатом развития техники передачи ЭЭ на дальние расстояния яв­ляются различные варианты компактных ЛЭП, характеризующиеся меньшим расстоянием между фазами и, как следствие, меньшими индуктивными со­противлениями и шириной трассы линии (рис. 3.11). При использовании опор «охватывающего типа» (рис. 3.11, а) уменьшение расстояния достигает­ся за счет расположения всех фазных расщепленных конструкций внутри «охватывающего портала», или по одну сторону от стойки опор (рис. 3.11, б). Сближение фаз обеспечивается с помощью междуфазных изоляционных рас­порок. Предложены различные варианты компактных линий с нетрадицион­ными схемами расположения проводов расщепленных фаз (рис. 3.11, в-и).

Кроме уменьшения ширины трассы на единицу передаваемой мощно­сти, компактные линии могут быть созданы для передачи повышенных мощ­ностей (до 8-10 ГВт); такие линии вызывают меньшую напряженность элек­трического поля на уровне земли и обладают рядом других технических дос­тоинств.

К компактным линиям относятся также управляемые самокомпенсирующиеся линии и управляемые линии с нетрадиционной конфигурацией расщепленных фаз. Они представляют собой двухцепные линии, в которых попарно сдвинуты одноименные фазы разных цепей. При этом к цепям под­водятся напряжения, сдвинутые на определенный угол. За счет режимного изменения с помощью специальных устройств угла фазового сдвига осуще­ствляется управление параметрами линий.