Воздушные линии

Воздушные линии (ВЛ) служат для передачи электроэнергии по проводам, проложенным на открытом воздухе и закрепленным на специальных опорах или кронштейнах инженерных сооружений (мостах, путепроводах, эстакадах и т.п.) с помощью изоляторов и арматуры. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода, грозозащитные тросы, изоляторы, линейная арматура, опоры и фундаменты.

Передачу электроэнергии от электростанций на значительные расстояния, связь между энергосистемами, электроснабжение промышленных предприятий выполняют преимущественно воздушными ЛЭП. В городских условиях ВЛ получили наибольшие 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.

По количеству цепей ВЛ делят на одно-, двух- и многоцепные. Количество цепей определяется схемой передачи электроэнергии и необходимостью ее резервирования. Расстояние l между соседними опорами называют пролетом, а расстояние между опорами анкерного типа – анкерным участком.

Провода, подвешиваемые на изоляторах ( - длина гирлянды) к опорам (рис. 3.1), провисают по цепной линии. Расстояние от точки подвеса до низшей точки провода называют стрелой провеса, определяющей приближение провода к земле .

Рис. 3.1. Схема ВЛ электропередач и опоры:

а – схема ВЛ; б-в – нормальная промежуточная деревянная опора на железобетонных приставках: б – для 0,38 кВ; в –для 6-20 кВ; г –деревянная опора

ВЛ 10 кВ на базе цельных стоек; д – металлическая двухцепная 110 кВ

В целом конструктивная часть ВЛ характеризуется типом опор, длинами пролетов, габаритными размерами, конструкцией фаз, количеством изоляторов. Конструкция фазы ВЛ определяется количеством проводов в фазе. Если фаза выполнена несколькими проводами, она называется расщепленной. Расщепленными выполняют фазы ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения.

В зависимости от назначения и места установки различают следующие типы опор:

· промежуточные, предназначенные для поддержания проводов на прямых участках линий. Расстояние между опорами (пролеты) составляет 35-45 м для 6-10 кВ. Крепление проводов здесь производится с помощью штыревых изоляторов;

· анкерные, имеющие более жесткую и прочную конструк-цию, чтобы воспринимать продольные усилия от разности натяжения 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.

Анкерные опоры подразделяются:

· на концевые, устанавливаемые в начале и конце линии, должны выдерживать постоянно действующее одностороннее натяжение проводов;

· угловые, устанавливаемые в местах изменения направления трассы. Эти опоры укрепляются подкосами или металлическими оттяжками;

· специальные следующих типов - переходные, устанавливаемые в местах пересечений ВЛ с сооружениями или препятствиями (реками, железными дорогами и т.п.), ответвительные – для выполнения ответвлений от основной линии, транспозиционные – для изменения порядка расположения проводов на опоре.

Для изготовления опор применяют дерево (см. рис. 3.1, б и в), металл (см. рис. 3.1, д) или железобетон (на рис. 3.1, г представлена деревянная опора нового поколения). Деревянные опоры в зависимости от конструкции могут быть одинарными, А-образ-ными, трехногими, П-образными, АП-образными, составными.

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. Стальные опоры широко применяют на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Достоинство стальных опор – высокая прочность, недостаток – подверженность коррозии, что требует при эксплуатации проведения периодической окраски или нанесения антикоррозийного покрытия. Опоры делают из стального углового проката (в основном применяют равнобокий уголок); высокие переходные опоры могут быть изготовлены из стальных труб. Для узлов соединения элементов используют стальной лист различной толщины. Независимо от конструктивного исполнения стальные опоры выполняют в виде пространственных решетчатых конструкций. Железобетонные опоры по сравнению с металлическими более долговечны и экономичны в эксплуатации, так как требуют меньше ухода и ремонта (они более энергозатратны). Основное преимущество – уменьшение расхода стали на 40…75%, недостаток – большая масса.

К проводам ВЛ предъявляются требования достаточной механической прочности. Материалы проводов и тросов должны иметь высокую электрическую проводимость, обладать достаточной прочностью, выдерживать атмосферные воздействия (в этом отношении наибольшая стойкость у медных и бронзовых проводов; провода из алюминия подвержены коррозии, особенно на морских побережьях, стальные провода разрушаются даже в нормальных атмосферных условиях).

Преимущественно применяют неизолированные (голые) провода (рис. 3.2) [4, 23]. По конструктивному исполнению они могут быть одно- или многопроволочными, полыми. Однопроволочные провода из стали диаметром 3,5; 4 и 5 мм и медные до 10 мм применяются для линии напряжением до 1000 В. Многопроволочные провода из стали, биметалла, алюминия и его сплавов получили преимущественное распространение на ЛЭП напряжением выше 1000 В благодаря повышенной механической прочности и гибкости. На ВЛ напряжением до 6 – 10 кВ используются алюминиевые многопроволочные провода марки А, АКП, сталеалюминиевые АС, АСКС, АСКП и стальные оцинкованные провода марки ПС.

Многопроволочные провода, скрученные из нескольких проволок, более гибкие и могут иметь любое сечение (от 1,0 до 500 мм²). Как правило, многопроволочные провода изготовляют из круглых проволок, причем в центре помещают одну или несколько проволок одинакового диаметра.

Рис. 3.2. Конструкция неизолированных проводов ВЛ:

а – однопроволочный; б – многопроволочный; в – сталеалюминиевый;

г – многопроволочный с наполнителем; д – полый

Длина скрученной проволоки, естественно, несколько больше длины провода, измеренной по его оси. Это обстоятельство вызывает увеличение фактической массы провода на 1…2% по сравнению с теоретической, получаемой 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 неотожженной) или 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. Провода из сплавов алюминия (АН – нетермообработанный, 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.

Сталеалюминиевые провода (рис. 3.3, 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. Полые провода применяются чаще всего для ошиновки распределительных устройств напряжением 220 кВ и выше.

а б в

Рис. 3.3. Конструкция проводов воздушных линий:

а – общий вид многопроволочного провода; б – сечение алюминиевого провода; в – сечение сталеалюминиевого провода

Рис. 3.4. Конструктивное исполнение самонесущего изолированного провода

В последнее время получили распространение ВЛ с самонесущими изолированными проводами (СИП) на напряжениях 0,38…10 кВ (рис. 3.4). В линии напряжением 380 В провода состоят из несущего провода, являющегося нулевым, трех изолированных проводов, одного изолированного провода наружного освещения. Линейные изолированные провода навиты вокруг несущего нулевого провода. Несущий провод является сталеалюминиевым, 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 сниженное индуктивное сопротивление, отсутствие изоляторов на опорах, максимальное использование высоты опоры для подвески, нет необходимости в обрезке деревьев в зоне прохождения линии и др. Недостатком является более высокая стоимость линий с проводами СИП.

Самонесущий изолированный провод СИП имеет скрученный в жгут изолированные жилы. Механическая нагрузка может восприниматься несущей нулевой жилой или всеми проводниками жгута. Несущая нулевая жила может быть изолированной, так и неизолированной. В конструкцию СИП при необходимости могут добавляться изолированные контрольные провода и провода освещения. Воздушная линия электропередачи напряжением до 1 кВ с применением СИП обозначается ВЛИ.

Освоен выпуск проводов с защитной изоляцией для воздушных линий электропередач на напряжение 35 кВ марки ПЗВ и в варианте грозоустойчивом – марки ПЗВГ. Провод марки ПЗВ – одинарный провод с уплотненной жилой из проволок алюминиевого сплава или алюминиевых проволок, упрочненных стальными оцинкованными проволоками. Изоляция провода состоит из двух слоев сшитого полиэтилена: нижнего слоя из чистого изоляционного и верхнего слоя из стойкого полиэтилена. Провод марки ПЗВГ имеет такую же жилу, как и провод ПЗВ, но изоляция состоит из трех слоев: первый слой – электропроводящий сшитый полиэтилен, второй слой – чистый изоляционный сшитый полиэтилен и третий слой – трекингостойкий атмосферостойкий полиэтилен [1, 2].

При обтекании проводов потоком воздуха, направленным поперек оси BЛ 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 называют вибрацией.

Обычно вибрация проводов наблюдается при скоростях ветра 0,6…12 м/с, при дальнейшем увеличении скорости ветра амплитуда вибраций значительно уменьшается. Вибрация, как правило, имеет место в пролетах длиной более 120 м и на открытой местности. Опасность вибрации заключается в обрыве отдельных про-волок провода на участках их выхода из зажимов из-за повышения механического напряжения. На BJI напряжением 35 – 220 кВ и выше защиту от вибрации выполняют с помощью виброгасителей, подвешенных на стальном тросе и поглощающих энергию вибрирующих проводов с уменьшением амплитуды вибрации около зажимов. При наличии гололеда наблюдается так называемая пляска проводов, которая, так же как и вибрация, возникает из-за ветра, но отличается большей амплитудой, достигающей 12…14 м, и большей длиной волны (с одной и двумя полуволнами в пролете).

На напряжении 35 – 220 кВ провода изолируют от опор гирляндами подвесных изоляторов (ПФ, ПС). Для изоляции BЛ I6 – 35 кВ применяют штыревые изоляторы (ШФ) и опорно-стержневые (СШ). Разработаны изоляторы с использованием полимерных материалов [4, 5]. На ответственных участках применяют многоцепные гирлянды. Каждый изолятор ВЛ 35 – 110 кВ как элемент, включенный в гирлянду, представляет собой определенную емкость. Электрический ток, проходя по проводам BЛ, выделяет тепло и нагревает провод. Под влиянием нагрева провода происходит удлинение провода, увеличивается стрела провеса, изменяется натяжение провода и его способность нести механическую нагрузку.

При изменении температуры воздуха от +40 до –40°С и увеличении скорости ветра от 1 до 20 м/с меняется сопротивление провода и тепловые потери изменяются от 50 до 1000 Вт/м. Увеличение сопротивления провода по сравнению с сопротивлением, соответствующим расчетной нагрузке, возможно при перегрузке 30% на 12%, а при перегрузке 50% – на 16%, при этом увеличение потери напряжения будет порядка 12% [1, 2].

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 1 кВ 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. Для крепления проводов к изоляторам и тросов к опорам применяется линейная арматура (рис. 3.5), которая делится на следующие основные виды: зажимы, сцепная арматура, соединители, дистанционные распорки и др.

а б в г

д е ж

Рис. 3.5. Линейная арматура ВЛ:

а – поддерживающий зажим; б – болтовой натяжной зажим; в – прессуемый натяжной зажим; г – поддерживающая гирлянда изоляторов; д – дистанционная распорка; е – овальный соединитель; ж – прессуемый соединитель

Зажимы подразделяются на поддерживающие, подвешиваемые на промежуточных опорах, и натяжные, применяемые на опорах анкерного типа (рис. 3.5, а, б, в). 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. 3.5 , 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. Соединение проводов производится плашечными зажимами, обжатыми овальным соединителем, скрученным специальным приспособлением либо сваркой. Соединители бывают овальные и прессуемые. В овальных соединителях провода либо обжимаются, либо скручиваются (рис. 3.5, е). Прессуемые соединители (рис. 3.5, ж) применяются для соединения проводов больших сечений. В сталеалюминевых проводах стальная и алюминиевые части опрессовываются раздельно.

Стальные тросы наряду с искровыми промежутками, разрядниками и устройствами заземления служат для защиты линий от грозовых перенапряжений, На ВЛ напряжением 35 кВ применяют тросы сечением 35 мм², для напряжения 110 кВ – 50 мм², для 220 кВ и выше – 70 мм². Изготовляют тросы из оцинкованной проволоки марки С35, С50, С70, при использовании тросов для высокочастотной связи применяют сталеалюминевые провода. Их подвешивают над фазными проводами на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. На линиях 35-110 кВ крепление троса к металлическим и железобетонным промежуточным опорам осуществляется без изоляции троса. Иногда для защиты от грозовых перенапряжений участков ВЛ применяют трубчатые разрядники.

Все металлические и железобетонные опоры линий напряжением 6-35 кВ, на которых подвешены грозозащитные тросы или установлены другие средства грозозащиты (разрядники, искровые промежутки), заземляются. 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.