На воздушных линиях электропередачи напряжением выше 1000 В применяют голые провода и тросы. Находясь на открытом воздухе, они подвергаются воздействиям атмосферы (ветер, гололед, изменение температуры) и вредных примесей окружающего воздуха (сернистые газы химических заводов, морская соль) и поэтому должны обладать достаточной механической прочностью и быть устойчивыми против коррозии (ржавления).
В настоящее время на ВЛ наибольшее применение нашли сталеалюминиевые провода.
Раньше на воздушных линиях применялись медные провода, а теперь используют алюминиевые, сталеалюминевые и стальные, а в отдельных случаях и провода из специальных сплавов алюминия – альдрея и др. Грозозащитные тросы выполняются, как правило, из стали.
По конструкции различают:
а) многопроволочные провода из одного металла, состоящие (в зависимости от сечения провода) из 7; 19 и 37 скрученных между собой отдельных проволок (рис. 1, б);
б) однопроволочные провода, состоящие из одной проволоки сплошного сечения (рис. 1, а);
в) многопроволочные провода из двух металлов – стали и алюминия или стали и бронзы. Сталеалюминевые провода обычной конструкции (марки АС) состоят из стальной оцинкованной жилы (однопроволочной или скрученной из 7 или 19 проволок), вокруг которой расположена алюминиевая часть, состоящая из 6, 24 или более проволок (рис. 1, в).
Рис. 1. Конструкция проводов воздушных линий: а – однопроволочные провода; б – многопроволочные провода; в – сталеалюминевые провода.
Конструктивные расчетные данные голых алюминиевых и сталеалюминевых проводов находятся в ГОСТ 839-80.
Смотрите также: Конструкции неизолированных проводов для воздушных линий передачи
Выбор проводов ВЛ предусматривает учет нескольких факторов, среди которых одним из наиболее существенных является длительный нагрев электрическим током. Нагрев проводов ограничивает пропускную способность ВЛ, приводит к коррозии проводов, потере ими механической прочности, росту стрелы провеса и т. д. Температура проводов зависит от токовой нагрузки и метеорологических условий трассы ВЛ.
На нагрузочную способность проводов значительное влияние оказывают погодные условия — скорость ветра, температура окружающего воздуха и солнечная радиация, которые в течение года изменяются в достаточно широких пределах.
Высказывается мнение, что изменение скорости ветра оказывает большее влияние, чем изменение температуры воздуха. Слабый ветер со скоростью 0,6 м/с повышает пропускную способность проводов на 140% по сравнению с условиями неподвижного воздуха, в то время как повышение температуры окружающей среды на 10°С снижает ее на 10 — 15%.
Медные провода
Меые провода, изготовленные из твердотянутой медной проволоки, обладают малым удельным сопротивлением (r = 18,0 Ом х мм2/км) и хорошей механической прочностью: предельное сопротивление разрыву sп = 36 … 40 кгс/мм2, успешно противостоят атмосферным воздействиям и коррозии от вредных примесей в воздухе.
Медные провода маркируют буквой М с прибавлением номинимального сечения провода. Так, медный провод с номинальным сечением 50 мм2 обозначается М – 50.
Медь в настоящее время является дефицитным дорогостоящим материалом, поэтому в качестве проводов воздушных линий электропередачи практически не используется. В целях экономии меди медные, бронзовые и сталебронзовые провода сняты с производства еще в 60-х годах прошлого века.
Алюминиевые провода
Алюминиевые провода отличаются от медных значительно меньшей массой, несколько большим удельным сопротивлением (r = 28,7…28,8 Ом х мм2/км) и меньшей механической прочностью: sп = 15,6 кгс/мм2 - для проводов из проволок марки АТ и sп = 16 …18 кгс/мм2 из проволки Атп.
Алюминиевые провода применяют главным образом в местных сетях. Малая механическая прочность этих проводов не допускает большого тяжения. Чтобы избежать больших стрел провеса и обеспечить требуемый ПУЭ минимальный габарит линии до земли, приходится уменьшить расстояние между опорами, а это удорожает линию.
Для повышения механической прочности алюминиевых проводов их изготовляют многопроволочными, из твердотянутых проволок. Хорошо перенося атмосферные воздействия, алюминиевые провода плохо противостоят воздействию вредных примесей воздуха.
Поэтому для воздушных линий, сооружаемых вблизи морских побережий, соленых озер и химических предприятий, рекомендуются алюминиевые провода марки АКП, защищенные от коррозии (алюминиевые коррозионно-стойкие, с заполнением межпроволочного пространства нейтральной смазкой). Провода из алюминия маркируются буквой А с добавлением номинального сечения провода.
Стальные провода
Стальные провода обладают большой механической прочностью: предельное сопротивление при разрыве sп = 55 …70 кгс/мм2. Стальные провода бывают как однопроволочными, так и многопроволочными.
Удельное электрическое сопротивление стальных проводов значительно выше, чем алюминиевых, и в сетях переменного тока оно зависит от величины тока, протекающего по проводу. Стальные провода применяют в местных сетях напряжением до 10 кВ при передаче сравнительно небольших мощностей, когда сооружение линий с алюминиевыми проводами менее выгодно.
Существенный недостаток стальных проводов и тросов – подверженность коррозии. Для уменьшения коррозии провода оцинковывают. Выпускаются две марки многопроволочных стальных проводов: ПС (провод стальной) и ПМС (провод омедненный стальной). Провода ПС имеют присадку меди до 0,2%, а провода марки ПСО изготовляются диаметром 3; 3,5; 5 мм. Стальные многопроволочные грозозащитные тросы выпускаются марок С-35, С-50 и С-70.
Сталеалюминиевые провода
Сталеалюминевые провода имеют то же удельное сопротивление, что и алюминиевые провода равного им сечения, так как в электрических расчетах сталеалюминевых проводов проводимость стальной части не учитывается ввиду ее незначительности по сравнению с проводимостью алюминиевой части проводов.
Конструктивно стальные проволки составляют внутреннюю часть сталеалюминевого провода, а алюминиевые проволки – внешнюю. Сталь предназначена для увеличения механической прочности, алюминий является токопроводящей частью.
В сталеалюминиевых проводах возникают дополнительные внутренние напряжения в алюминиевой части провода, вследствие различных коэффициентов температурного расширения алюминия и стали.
Обязательное ограничение напряжения в проводе при среднегодовой температуре для всех проводов необходимо для предотвращения быстрого износа проводов от усталости вследствие вибрации.
Экспериментально установлено, что алюминий начинает терять свои прочностные качества при температурах свыше 65°С. С учетом этого при выборе максимальной рабочей температуры сталеалюминиевых проводов рекомендуется планировать уменьшение прочности алюминия на 12 — 15% (что составляет 7 — 8% потери прочности провода в целом) в течение всего срока их службы, что примерно соответствует непрерывной в течение 50 лет эксплуатации провода при температуре 90°С. Следует отметить, что суммарная потеря механической прочности вследствие кратковременных аварийных перегрузок проводов не превышает 1%.
Выпускаются следующие марки сталеалюминевых проводов (ГОСТ 839-80):
АС – провод, состоящий из сердечника – стальных оцинкованных проволок, и одного или нескольких наружных повивов из алюминиевых проволок. Провод предназначается для прокладки на суше, кроме районов с загрязненным вредными химическими соединениями воздухом;
АСКС, АСКП – как и провод марки АС, но с заполнением стального сердечника (С) или всего провода (П) смазкой, противодействующей появлению коррозии проволок. Предназначен для прокладки на побережье морей, соленых озер и в промышленных районах с загрязненным воздухом;
АСК – такой же как и провод АСКС, но со стальным сердечником, изолированным полиэтиленовой пленкой. В маркировке провода после буквы А может стоять буква П, которая указывает, что провод повышенной механической прочности (например АпСК).
Сталеалюминевые провода всех марок выпускаются с разным отношением сечения алюминиевой части провода к сечению стального сердечника: в пределах 6,0…6,16 – для работы провода в средних по механической нагрузке условиях; 4,29…4,39 – усиленной прочности; 0,65…1,46 – особо усиленной прочности: 7,71…8,03 – облегченной конструкции и 12,22…18,09 – особо облегченные.
Провода облегченной конструкции применяют на вновь сооружаемых и реконструируемых линиях в районах, где толщина стенки гололеда не превышает 20 мм. Сталеалюминевые провода усиленной прочности рекомендуется применять в районах с толщиной стенки гололеда более 20 мм. Для осуществления больших пролетов на переходах через водные пространства и инженерные сооружения применяют провода особой прочности.
Для более полной характеристики сталеалюминевых проводов в обозначение марки проводов вводится номинальное сечение провода и сечение стального сердечника, например: АС – 150/24 или АСКС – 150/34.
Провода из альдрея
Провода из альдрея обладают примерно тем же электрическим сопротивлением, что и алюминиевые, но имеют большую механическую прочность. Альдрей представляет собой сплав алюминия с незначительными количествами железа (» 0,2 %), магния (» 0,7 %) и кремния (» 0,8 %); по корроизной стойкости он равен алюминию. Недостаток проводов из альдрея – их малая стойкость при вибрации.
Расположение проводов на воздушной линии
Провода на опорах воздушных линий можно располагать различными способами: на одноцепных линиях – треугольником или горизонтально; на двухцепных линиях – обратной елкой или шестиугольником (в виде «бочки»).
Расположение проводов треугольником (рис. 2, а) применяется на линиях напряжением до 20 кВ включительно и на линиях напряжением 35…330 кВ с металлическими и железобетонными опорами.
Горизонтальное расположение проводов (рис. 2, б) применятся на линиях напряжением 35…220 кВ с деревянными опорами. Такое расположение проводов является наилучшим по условиям эксплуатации, так как позволяет применять более низкие опоры и исключает схлестывание проводов при сбрасывании гололеда и пляске проводов.
На двухценных линиях провода располагают либо обратной елкой (рис. 2, в), что удобно по условиям монтажа, но увеличивает массу опор и требует подвески двух защитных тросов, либо шестиугольником (рис. 2, г).
Последний способ предпочтительнее. Он рекомендован к применению на двухценных линиях напряжением 35…330 кВ.
Для всех перечисленных вариантов характерно несимметричное расположение проводов по отношению друг к другу, что приводит к различию электрических параметров фаз. Для уравнения этих параметров применяют транспозицию проводов, т.е. последовательно меняют на опорах взаимное расположение проводов по отношению друг к другу на различных участках линии. При этом провод каждой фазы проходит одну треть длины линии на одном, вторую – на другом и третью – на третьем месте (рис. 3.).
Рис. 2. Расположение проводов и защитных тросов на опорах: а – треугольником; б – горизонтальное; в – обратной елкой; г – шестиугольником (бочкой).
Рис. 3. Схема транспозиции проводов одноцепной линии.
Расчет механической части ВЛ выполняют, исходя из повторяемости скорости ветpa и толщины стенки гололеда на проводах, отвечающей требованиям надежности и капитальности того или иного класса ВЛ.
ВЛ разных классов при их прохождении по одной и той же местности, в частности по общей трассе, должны быть рассчитаны на разные ветровые и гололедные нагрузки.
Грозозащитные тросы воздушных линий электропередачи
Грозозащитные тросы подвешивают выше проводов для защиты их от атмосферных перенапряжений. На линиях напряжением ниже 220 кВ тросы подвешивают только на подходах к подстанциям. При этом снижается вероятность перекрытия проводов линии вблизи подстанции. На линиях напряжением 220 кВ и выше тросы подвешиваются вдоль всей линии. Обычно используются тросы из стальных проволок.
Ранее тросы на линиях всех номинальных напряжений заземлялись наглухо на каждой опоре. Опыт эксплуатации показал, что в замкнутых контурах заземляющей системы – тросы – опоры появились токи. Они возникли вследствие действия ЭДС, наводимых в тросах путем электромагнитной индукции. При этом в ряде случаев в многократно заземленных тросах получились значительные потери электроэнергии, особенно в линиях сверхвысоких напряжений.
Исследования показали, что при подвеске тросов повышенной проводимости (сталеалюминиевых) на изоляторах тросы могут быть использованы в качестве проводов связи и в качестве токонесущих проводов для электроснабжения потребителей малой мощности.
Для обеспечения соответствующего уровня грозозащиты линий тросы при этом должны присоединяться к заземленным через искровые промежутки.