Транспортировка электрической энергии на средние и дальние расстояния чаще всего производится по воздущным линиям электропередач (ВЛЭП), 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.
Метод понятен, так как необходимо было убрать потенциально опасные проводники из зоны досягаемости людей и животных и позволить простым способом соединить зачастую значительные расстояния.
Со временем, конечно, материалы и формы самих проводников и точек опоры, способы их крепления и размеры отдельных линий менялись в зависимости от роста уровней напряжения и передаваемых мощностей.
Содержание:
- Для чего нужны ВЛ и какие они бывают
- Общее устройство и компоновка воздушной линии электропередачи
- Устройство проводов ВЛ
- Устройство опор ВЛ
- Устройство изоляторов
- Арматура воздушных линий
- Заземляющие устройства воздушных линий
- Предупреждающие шары
- Нагрузки на провода и тросы ВЛ
Линии электропередачи в основном состоят из воздушных линий, поддерживаемых опорами
Для чего нужны ВЛ и какие они бывают
Провода и кабели принято делить по способу выполнения на воздушные, подземные, подводные и провода и кабели в закрытых помещениях (внутри зданий).
По роли их в общей системе канализации провода и кабели делят на передающие анергию на далекое расстояние (линии передачи), питательные и распределительные.
Линии передачи транспортируют энергию высокого напряжения от центральной станции к району потребления удаленному от нее на далекое расстояние, питательные провода служат для передачи энергии от станции или подстанции к важнейшим точкам сети (питательным пунктам). Наконец, по распределительным проводам ток подводится от питательных пунктов непосредственно к приемникам.
Существует множество типов опор ВЛ, каждый тип имеет определенные специфические свойства и выполняет определенную функцию. Способ крепления троса с помощью изоляторов или подвесок изоляторов обусловлен назначением и конструкцией опоры.
Основой всех воздушных линий высокого напряжения являются трехфазные проводники, рассчитанные на максимальную протекающую мощность.
Четвертый проводник, обычно крепящийся в самой высокой точке опоры, представляет собой более тонкий грозозащитный провод, выполняющий функцию защиты линии от ударов молнии. Заземляющий трос токопроводяще соединен с опорами ЛЭП, которые заземляются, так что возможный удар молнии надежно отводится в землю.
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 стрелой провеса. 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.
Медь, алюминий и сталь являются одними из основных материалов, из которых изготавливаются проводники ЛЭП. Однако у каждого материала есть свои преимущества и недостатки, и нет ни одного дешевого, механически прочного и обладающего отличной электропроводностью.
Самыми распространенными материалами являются алюминий и сталь. Они могут выполняться единой монолитной жилой для низковольтных схем или сплетаться из многопроволочных конструкций для высоковольтных ЛЭП.
Комбинация двух материалов, алюминия и стали, наилучшим образом отвечает требованиям наружной проводки. Поэтому в подавляющем большинстве случаев кабели ВЛЭП состоят из центральной стальной несущей части и оболочки, состоящей из нескольких слоев алюминиевых жил.
Различные комбинации центрального стального сердечника и внешней алюминиевой оболочки
Стальной сердечник из оцинкованной проволоки обеспечивает достаточную прочность, чтобы провод не растягивался под собственным весом и не рвался из-за внешних воздействий. Передаваемый ток протекает по алюминиевой части провода с проволоками из твердотянутого алюминия с хорошими электрическими свойствами.
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).
Многопроволочные неизолированные жилы применяются в воздушных линиях всех уровней напряжения.
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.
Изолированные проводники более устойчивы к погодным воздействиям и менее подверженных коротким замыканиям. Это не только приводит к увеличению срока службы линии, но и полиэтиленовая изоляция проводов позволяет строить меньшие и более низкие мачты с более компактным расположением фазных проводов.
Воздушные линии с самонесущими СИП проводами 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.
Это не только приводит к увеличению срока службы линии, но и полиэтиленовая изоляция проводов позволяет строить меньшие и более низкие опоры ЛЭП с более компактным расположением фазных проводов.
Еще одним элементом модернизации ВЛ является использование специального однопроволочного композитного сердечника. Материал сердцевины — современные углеродные волокна со слоем стекловолокна. Сердечник имеет гораздо меньшее тепловое расширение и вес и примерно на четверть прочнее стали.
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.
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.
В настоящее время для линий низкого и высокого напряжения чаще всего используют долговечные бетонные опоры.
Стальные решетчатые опоры ВЛЭП могут выдерживать большие боковые силы, поэтому их часто размещают в местах изменения направления трассы линии.
Естественно, что с ростом напряжения и передаваемой мощности увеличивается высота и прочность решетчатых металлоконструкций, увеличивается количество поддерживаемых линий, а также количество проводников на фазу.
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.
Фазные провода могут располагаться на опорах в один, два или три уровня. Один уровень характерен в основном для портальных опор. Линия в этой конфигурации достигает наименьшей высоты, но шире.
При двух уровнях проводники на мачте располагаются треугольником (два проводника внизу и один вверху). Это более компактный способ проводки, который также выгоден по электротехническим причинам.
Симметричная трехуровневая разводка в основном используется для двойной разводки. С каждой стороны опоры расположены по три фазных провода друг над другом, чаще всего в форме бочки или дерева.
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.
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 удельным сопротивлением. Их называют изоляторами и изготавливают из:
-
фарфора (керамики);
-
стекла;
-
полимерных материалов.
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;
-
меньшими нагрузками от собственного веса;
-
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.
Двойная вертикальная гирлянда подвесного изолятора несет фазный провод линии очень высокого напряжения
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;
-
боольшая 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.
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.
Предупреждающие шары (шары-маркеры) из легкого материала иногда размещают на грозозащитном проводе линии, как в самой высокой его точке. Они выполняют функцию оптической подсветки текущей линии для пилотов низколетящих самолетов и вертолетов. В основном они расположены на линиях возле аэропортов и на пересечении линий с автомагистралями, где может произойти столкновение.
Предупреждающие шары на заземляющем тросе воздушной линии электропередач
Нагрузки на провода и тросы ВЛ
Воздушная линия электропередачи постоянно подвергается воздействию погодных и других силовых факторов, которые могут поставить под угрозу ее работу. Поэтому ее размеры всегда должны соответствовать условиям, преобладающим в месте установки.
ЛЭП должны прежде всего выдерживать воздействие собственной силы тяжести проводников. В основном при перекрытии различных долин или водоемов расстояние между опорными конструкциями больше и, следовательно, больше собственный вес проводов, натянутых между опорами.
Еще одним фактором, вызывающим статическую нагрузку на линию, является масса инея, образующегося на проводниках при температурах чуть ниже точки замерзания и повышенной влажности воздуха. В зависимости от местности толщина инея может достигать от 3 до 5 см, а его вес может составлять несколько килограммов на 1 метр провода. При максимальном обледенении напряжение не должно превышать 85 % предела прочности проводника на растяжение.
Обледенение опор и линий очень высокого напряжения увеличивает вес проводников и, следовательно, вызывает большие растягивающие нагрузки.
Повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению прогиба линии, низкие температуры, напротив, укорачивают линию и, таким образом, увеличивают ее механическое напряжение. Поэтому каждая воздушная линия рассчитывается на предельные температурные условия окружающей среды, определяющие ее минимальное и максимальное прогибание и усилие, с которым канат должен быть натянут при монтаже.
Ветер – опасный фактор. Он давит на проводники и оказывает на них усилие. При подходящих условиях проводники могут вибрировать, вызывая снижение прочности и возможность поломки материала проводника, особенно в местах крепления. Воздушные линии защищены от вибраций различными типами поворотных фиксаторов и механических амортизаторов.
На проводах ЛЭП установлены механические амортизаторы в виде двух упруго закрепленных грузов, предотвращающих вибрацию провода на ветру.