Воздушные линии электропередачи
Воздушная линия (ВЛ) — это устройство для передачи электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам инженерных сооружений. Здесь перечислены почти все основные элементы ВЛ (опоры, провода, изоляторы, арматура), за исключением грозозащитных тросов и фундаментов.
Главными элементами ВЛ являются провода фаз линии, непосредственно осуществляющие передачу электроэнергии. Для защиты проводов от прямых ударов молнии служат тросы, монтируемые в верхней части опор на тросостойках. Опоры предназначены для надежного поддержания проводов и тросов на определенной высоте над поверхностью земли, как при нормальной эксплуатации линии, так и в различных аварийных ситуациях. Изоляторы должны обеспечить необходимый промежуток между находящимся под напряжением проводом и заземленным телом опоры. Линейная арматура — это комплекс устройств, с помощью которых провода соединяются, закрепляются на изоляторах, а изоляторы — на опорах. Наконец, фундаменты служат для обеспечения устойчивого положения опор в пространстве.
Рис.3.2 |
На схеме воздушной линии, рис.3.1, показаны промежуточные и анкерные опоры линии. Расстояние между двумя соседними промежуточными опорами называется длиной пролета, или пролетом линии , рис.3.2.
Рис.3.1 |
Анкерные опоры, в отличие от расположенных между ними промежуточныхопор, рассчитаны на противодействие значительным силам одностороннего тяжения по проводам, возникающим при их обрыве в примыкающем к анкерной опоре промежуточном пролете длиной , а также при монтаже проводов и тросов. Провода на анкерных опорах жестко закрепляются на натяжных гирляндах изоляторов, а на промежуточных опорах крепятся свободно на поддерживающих гирляндах, имеющих длину . Длина гирлянды тем больше, чем выше номинальное напряжение линии.
В промежуточном пролете провода и тросы провисают. Расстояние по вертикали между точкой подвеса на опоре и низшей точкой в пролете называется стрелой провеса . Расстояние от низшей точки провода до земли, воды или пересекаемых объектов называется габаритомлинии. Оно определяется в ПУЭ в зависимости от , характера местности и типа пересекаемого линией сооружения и для ВЛ с = 500 кВ, сооружаемых в ненаселенной местности, составляет 6—8 м.
Элементы ВЛ работают в сложных и разнообразных географических и климатических условиях, различающихся сезонными изменениями температуры и влажности воздуха, наличием в нем природных и индустриальных загрязнений. Кроме того, они должны противостоять воздействию сил, основными из которых являются:
- вес всех элементов линии;
- вес гололедных отложений на проводах, тросах и опорах;
- давление ветра на провода, тросы и опоры;
- тяжения по проводам и тросам;
- вибрации и пляски проводов.
Обусловленные массой конструктивных элементов линии силы, действующие на одну опору, могут достигать сотен тысяч ньютонов (1 Н = 0,102 кгс), и провода, тросы и опоры должны быть рассчитаны на такие нагрузки.
При определенных погодных условиях (обычно при температуре воздуха от -3 до -5 °С и скорости ветра до 10 м/с) происходит образование ледяного покрова на проводах, тросах и опорах ВЛ с массой 900 кг/м3. Вес такого покрова, приходящийся на одну опору, может достигать тысяч ньютонов. Интенсивность гололедообразования неодинакова в различных регионах страны. Вся территория России делится на семь районов, различающихся возможной максимальной толщиной стенки гололеда от 10 до 40 мм.
Аналогичным образом территория России делится на семь районов с различной максимальной скоростью ветра. Ветровые нагрузки (скоростной напор ветра) также должны восприниматься всеми конструктивными элементами ВЛ. Обычно считается, что давление ветра направлено параллельно поверхности земли и перпендикулярно продольной оси линии. Силы, обусловленные действием ветра, в расчете на одну опору могут достигать сотен тысяч ньютонов и обязательно учитываются при проектировании механической части ВЛ. Максимальная расчетная скорость ветра равна 49 м/с, что соответствует давлению 1250 Па (1 Па = 0,102 кгс/м2). Отложения гололеда увеличивают площади поверхностей проводов и тросов, на которые оказывает давление ветер, что приводит к возрастанию горизонтальных нагрузок.
Действие ветра обусловливает и два нежелательных явления, отрицательно влияющих на конструктивную часть ВЛ. Во-первых, это вибрация проводов и тросов, возникающая при равномерном движении воздуха со скоростью 4—8 м/с. Она характеризуется частотой колебаний в десятки герц и амплитудами до десятков миллиметров. Вибрация вызывает многократные перегибы проволок проводов и тросов, что, в конечном счете, приводит к их излому, ослаблению прочности провода или троса и к возможности их обрыва, т.е. к аварийной ситуации. Во-вторых, при скоростях ветра 15—30 м/с может возникать так называемая пляскапроводов и тросов. Обычно это явление наблюдается в период, когда провода и тросы покрыты гололедом. Эти колебания характеризуются частотой в единицы герц, однако их амплитуда может достигать величины, равной стреле провеса провода или троса. Возникающие при этом динамические воздействия на узлы крепления проводов к гирляндам изоляторов и последних к опорам настолько значительны, что могут приводить к поломкам арматуры и деталей опор. Кроме того, при пляске возможны касания и схлестывания проводов между собой и с тросами, что вызывает короткие замыкания и аварийное отключение линии.
Для борьбы с вибрацией воздушные линии оснащаются виброгасителями. Единственным средством демпфирования колебаний при пляске является плавка гололеда, осуществляемая с помощью специального оборудования, обеспечивающего прохождение по линии больших токов и такой нагрев проводов, при котором происходят таяние и сброс ледяной корки.
Проводниковые материалы, из которых изготавливаются провода воздушных линий электропередачи, т.е. их главные элементы, должны удовлетворять ряду технических и экономических требований. Прежде всего, они должны обладать невысоким удельным электрическим сопротивлением , чтобы потери активной мощности на нагрев проводов и потери напряжения в линии при прочих равных условиях были по возможности минимальны.
Плотность этих материалов также не должна быть высокой, поскольку при заданном поперечном сечении проводника она определяет удельную нагрузку от собственного веса провода. Еще одним требованием является высокая механическая прочность, оцениваемая по пределу прочности на разрыв - . Одновременно проводниковый материал должен обладать стойкостью к атмосферным воздействиям и химическим реагентам, находящимся в воздухе. Наконец, этот материал не должен быть дефицитным и дорогим, чтобы стоимость воздушных линий была бы приемлемой при их массовом строительстве.
На сегодня в практике сооружения ВЛ используются такие материалы, как медь, алюминий и его сплавы, а также сталь. В табл. 3.1 представлены их характеристики, упомянутые выше.
Таблица 3.1
Свойства материалов, используемых для изготовления проводов ВЛ | |||
Материал | , Ом • мм2/км | , кг/м3 | , H/мм2 |
Медь | 17,8—18,5 | ||
Алюминий | 30,0—32,5 | ||
Сплав АВ-Е | Тоже | ||
Сталь | — |
Из сопоставления данных табл. 3.1 следует, что удельное электрическое сопротивление алюминия больше, чем меди примерно на 65 % , по массе он примерно в 3 раза легче меди, а по прочности — в 2,5 раза хуже. Отечественный термообработанный сплав АВ-Е, содержащий около 2 % присадок магния, кремния и железа, по сравнению с чистым алюминием при примерно одинаковых плотности и электрическом сопротивлении имеет существенно более высокую прочность, которая лишь на 23 % меньше, чем у меди. Медь является достаточно дефицитным и дорогим металлом, поэтому современная техника в основном базируется на применении проводов ВЛ из алюминия и его сплавов.
Рис. 3.3 |
Разновидности конструкций неизолированных проводов многочисленны. Они включают как монометаллические (из меди, алюминия, стали), так и биметаллические (сталеалюминевые) провода, рис.3.4. Однопроволочные провода допускаются к применению лишь на ВЛ напряжением до 1 кВ. При более высоких номинальных напряжениях используются исключительно многопроволочные конструкции.
Рис. 3.4
Расширенные и полые провода, рис.3.5, разрабатывались для применения на ВЛ напряжением 220 кВ и выше с целью уменьшения отрицательных последствий явления коронного разряда на проводах (потерь электроэнергии, акустического шума и помех радио- и телевизионному приему). Это явление возникает при определенной напря
Рис. 3.5 |
Применение проводов обычной многопроволочной конструкции с увеличенным по этой причине диаметром неэкономично, поскольку сечение такого провода из-за явления поверхностного эффекта при протекании по нему переменного тока используется не полностью, т.е. какое-то количество материала не работает и является как бы лишним. Пустотелая конструкция позволяет избежать перерасхода цветного металла и удорожания ВЛ. Аналогичные цели преследовались и при создании расширенных проводов за счет размещения внутри многопроволочной конструкции каркасных спиралей или стеклопластиковых наполнителей.
Альтернативой применения таких достаточно сложных в изготовлении конструкций является так называемое расщепление фазы на несколько составляющих n, широко применяемое во всем мире для ВЛ высокого и сверхвысокого напряжений. Так, на отечественных линиях 330 кВ используется расщепление фазы на два провода, фиксируемых на расстоянии a=40 см друг от друга металлическими распорками. На ВЛ 500 кВ применяется «пучок» из трех проводов, находящихся в вершинах равностороннего треугольника со стороной 40 см. Такой пучок эквивалентен одиночному проводу с внешним диаметром около 27 см. Для ВЛ 750 кВ = 4—5, а для ВЛ 1150 кВ n = 8—10 при а = 40—60 см.
В России основным используемым типом проводов для ВЛ 35—1150 кВ до настоящего времени являются сталеалюминевые. Они имеют стальной сердечник, на который накладываются от 1 до 4 повивов алюминиевых проволок. Сталеалюминевые провода выпускаются в четырех модификациях (марок АС, АСК, АСКС и АСКП).
Наличие в марке буквы «К», указывает на то, что провод имеет повышенную коррозионную устойчивость. Такие провода применяются в районах с «загрязненной атмосферой» (на побережьях морей, соленых озер, в промышленных районах и т. п.). Стойкость против коррозии обеспечивается, во-первых, изоляцией стального сердечника двумя лентами из синтетической пленки и, во-вторых, нанесением на его поверхность нейтральной смазки повышенной термостойкости (марка АСК) или заполнением ею сердечника (марка АСКС) или всего провода (марка АСКП).
Механические (прочностные) характеристики сталеалюминевого провода определяются соотношением суммарного поперечного сечения алюминиевых проволок к суммарному сечению проволок стального сердечника . По соотношению различают пять исполнений таких проводов.
Максимальное значение этого коэффициента 18,1 соответствует специальному облегченному исполнению, а минимальное 0,64 – специальному усиленному. Использование того или иного исполнения проводов определяется в первую очередь тяжестью климатических условий, т.е. нагрузками, которые испытывает провод под действием массы гололедных образований и под давлением ветра. Помимо тяжести климатических условий выбор того или иного исполнения провода иногда связан и с необходимостью повышения надежности при пересечениях ВЛ с железными дорогами и автострадами, при переходах больших рек и т. п.
Обозначение сталеалюминевых проводов состоит из обозначения марки (АС, АСК, АСКС, АСКП) и номинальных сечений алюминиевой части и стального сердечника, например АС 150/24, АСК 240/56 и т. п.
Стальные провода используются в тех случаях, когда требуется передать небольшую мощность на относительно дальние расстояния, например в сетях сельскохозяйственного назначения. Стальные провода с большим сопротивлением на разрыв используются для устройства переходов линий через препятствия (реки, озера, ущелья и т.п.) при длине пролета более 1 км.
Активное и реактивное сопротивления стальных проводов значительно выше, чем проводов из цветных металлов. Существенный недостаток стальных проводов – их высокая коррозия. Для повышения коррозионной стойкости стальные провода изготовляют из оцинкованной проволоки.
Грозозащитные тросы выполняют из стальных оцинкованных многопроволочных канатов сечением 35, 50 и 70 мм2. Если грозозащитные тросы используются для организации высокочастотных каналов связи, то они должны выполняться из материала с высокой электропроводностью. Поэтому в таком случае применяют провода марок АС 70/72 и АС 95/141. На ВЛ напряжением до 110 кВ тросы применяют только на подходах к подстанциям, чтобы уменьшить вероятность грозовых перенапряжений в непосредственной близости от подстанционного оборудования. На ВЛ с номинальным напряжением 110 кВ и выше, сооружаемых на стальных и железобетонных опорах, тросы подвешивают вдоль всей линии. Воздушные линии напряжением 110—220 кВ на деревянных опорах тросами не защищаются.
Многообразие применяемых в электросетевом строительстве типов опор влечет за собой необходимость их классификации по целому ряду признаков.
По количеству трехфазных цепей различают опоры:
- одноцепные, которые применяются при сооружении ВЛ любых номинальных напряжений, рис.3.6а;
- двухцепные, которые в России применяются для ВЛ 35—330 кВ, рис.3.6б;
- многоцепные, которые применяются за рубежом в густонаселенных районах с высокой стоимостью земли для экономии территории, отчуждаемой под трассу ВЛ, рис.3.6в.
Основанием второго признака служит способ крепления проводов. Здесь в первую очередь выделяются промежуточные опоры, на которых провода закрепляются в поддерживающих зажимах, 3.7а. Это основной тип опор, составляющий около 90 % их общего числа. Кроме них выделяются анкерные опоры, на которых провода закрепляются в натяжных зажимах, 3.7б.
По положению на трассе различают опоры, расположенные на прямых ее участках, и угловые (или анкерные угловые), расположенные в точках изменения направления (поворота) трассы линии. В этих точках на опору действует сила тяжения проводов и тросов, направленная по биссектрисе внутреннего угла. Поэтому в отличие от обычной промежуточной опоры угловая должна иметь раскосы, противодействующие опрокидывающему моменту в направлении действия этой силы.
По конструктивному выполнению опоры делятся на свободностоящие и на оттяжках. Применение металлических тросовых оттяжек, которые крепятся с одной стороны к верхним частям опоры, а с другой стороны к анкерным плитам, заглубленным в грунт на 2—3 м, обеспечивает устойчивость опоры и по сравнению со свободностоящими опорами позволяет значительно сократить расход материала, из которого изготавливаются элементы опоры, а следовательно, и ее стоимость.
В качестве материала для изготовления опор используются древесина, железобетон и сталь. Деревянные опоры применяют на ВЛ с номинальным напряжением до 220 кВ включительно, рис.3.8
Унифицированные железобетонные опоры применяются для сооружения ВЛ с номинальным напряжением до 500 кВ включительно, рис.3.9.
Металлические решетчатые опоры применяются во всем диапазоне номинальных напряжений (35—1150 кВ), рис.3.10.
В настоящее время на ВЛ 35, 110 и 220 кВ применяются железобетонные и стальные решетчатые опоры, разработанные еще в 60-70-е годы прошлого века.
Стальные решетчатые опоры отличаются большим весом, низкой вандалоустойчивостью, требуют больших затрат на сборку и установку и занимают большую площадь, что не позволяет их применение в стесненных условиях.
Железобетонные стойки для опор ВЛ не учитывают изменения норм по проектированию опор ВЛ, появления новых технологий и повышенных требований к надежности ВЛ в соответствии с ПУЭ седьмого издания.
Указанные недостатки могут быть преодолены путем применения опор ВЛ нового поколения на базе стальных многогранных стоек, рис.3.11.
В первую очередь стальные многогранные опоры ВЛ используются для поддержания проводов воздушных ЛЭП напряжением от 10 до 500 кВ. Они могут устанавливаться как в населенной, так и в ненаселенной местности. Допускается их установка в I-V ветровых и гололедных районах, минимальная допустимая температура воздуха -65°С.
Стальные опоры воздушных линий с многогранным стволом производятся из стали Ст3, либо из низколегированной стали. Опоры представляют собой металлическую конструкцию из стоек, которые имеют форму полых усеченных пирамид (в сечении вид правильного многогранника). В единую конструкцию стойки собираются из отдельных секций и при помощи телескопического или фланцевого соединения. Траверсы могут быть решетчатого, многогранного или изолирующего типа.
Преимущества использования многогранных опор ЛЭП:
1. Небольшие сроки строительства.
Железобетонные и решетчатые аналоги возводятся в 2-4 раза медленнее, чем многогранные опоры ЛЭП. Этот факт обусловливается несколькими причинами: во-первых, количество опор в линии меньше, т.к. прочностные характеристики выше и межопорное расстояние больше, во-вторых, процесс монтажа и установки менее трудоемкий, так как сами опоры легче, а количество сборочных единиц меньше.
2. Низкие материальные затраты.
Исследования показали, что экономия при возведении многогранных металлических опор ЛЭП составляет около 12-15%, если сравнивать их с бетонными аналогами, и 40-50%, если сравнивать с решетчатыми опорами. Это объясняется несколькими причинами:
· Увеличенным межопорным расстоянием;
· Меньшими расходами на транспортировку и СМР;
· Увеличенными сроками использования;
· Низкими затратами на утилизацию и демонтаж;
· Экономический эффект увеличивается, если монтаж или замена опор происходит в удаленных и труднодоступных районах.
3. Низкая стоимость и удобная транспортировка.
При транспортировке опор ЛЭП нет нужды использовать нестандартный транспорт, так как секции (до 12 метров) имеют телескопическую конструкцию, могут складываться друг в друга и перевозятся фурой с кониками. Поэтому в отличие от других опор многогранные опоры ЛЭП перевозить в 3-4 раза дешевле.
4. Уменьшенные расходы на постоянный и временный землеотвод.
Снижение стоимость обуславливается необходимостью меньшего землеотвода, а так же большим межопорным расстоянием. В сравнении с решетчатыми или железобетонными опорами стоимость землеотвода может быть в 2 раза меньше.
5. Надежность.
Высокая надежность многогранных опор ЛЭП складывается из нескольких факторов:
· Долговечность. Оцинкованные многогранные опоры могут прослужить порядка 70 лет, обычные многогранные без оцинкования – не меньше 50, против 30 лет у бетонных опор и 35-45 решетчатых.
· Безотказность. Как показывает многолетняя практика и наблюдения, многогранные стальные опоры ЛЭП выходят из строя значительно реже своих аналогов.
· Ремонтопригодность. Катастрофические разрушения принести опоре практически невозможно, а чтобы заменить вышедшие из строя узлы нужно минимум времени.
· Сохраняемость. Работоспособность сохраняется в норме даже при многократных погрузо-разгрузочных работах или длительном хранении.
7. Вандалоустойчивость.
Форма многогранных опор ЛЭП делает данный вид наиболее вандалоустойчивым из всех типов опор.
Помимо перечисленных выше выделяется группа опор специального назначения. К ним относятся транспозиционные, рис.3.12, ответвительные и переходные опоры.
Транспозиционные опоры устанавливаются по концам участков цикла транспозиции, рис. 3.13.
Рис. 3.13 |
Рис. 3.12 |
Под транспозицией понимается циклическая перестановка фаз с целью снижения несимметрии систем векторов токов и напряжений в конце линии (при симметричных системах этих векторов в ее начале), вызываемой различием реактивных параметров фаз (индуктивностей и емкостей) вследствие несимметричного расположения проводов на опорах. На линиях длиной до 100 км обычно осуществляется один цикл транспозиции.
Ответвительные опоры, рис. 3.14, служат для выполнения ответвлений от основной линии, а переходные, рис.3.15 — для осуществления переходов через реки и другие водные пространства. Высота последних в ряде случаев достигает 100 м.
Рис.3.14 Рис. 3.15
На одноцепных опорах в настоящее время применяют два расположения проводов — по вершинам треугольника, рис 3.16 а, б, (на ВЛ 35—330 кВ с железобетонными и стальными опорами) и горизонтальное, рис 3.13 в, (на всех ВЛ напряжением 220 кВ и выше и на ВЛ 35—110 кВ с деревянными опорами). На двухцепных опорах рекомендуется расположение проводов обратной елкой, рис 3.16 г, или повершинам шестиугольника (типа «бочка»), рис. 3.16.д.
Рис.3.16
Изоляторы ВЛ изготавливают в основном из фарфора или закаленного стекла. Вместе с тем, в последние два десятилетия все шире начинают применяться и полимерные изоляторы. Фарфор и стекло обладают высокой стойкостью к атмосферным воздействиям, достаточно высокой механической и электрической прочностью. Стеклянные изоляторы легче фарфоровых, лучше противостоят ударным нагрузкам и не растрескиваются, а рассыпаются при пробое, что облегчает визуальное нахождение места повреждения при осмотрах линии.
Рис. 3.17 |
Рис. 3.18 |
Полимерные изоляторы (ПИ), рис.3.19, представляют собой относительно новое поколение изоляции ВЛ. Основными достоинствами ПИ являются, прежде всего, их высокая эксплуатационная надежность, малая масса, устойчивость к ударным механическим нагрузкам и актам вандализма (в том числе к расстрелам), удобство транспортировки и простота монтажа, а также эстетичный внешний вид.
Рис. 3.19 |
Термин линейная арматура объединяет устройства, обеспечивающие, во-первых, надежное сочленение отдельных элементов конструкции ВЛ, а также защиту гирлянд подвесных изоляторов от повреждения электрической дугой при пробое и фиксацию взаимного расположения в пространстве проводов расщепленных фаз и соседних фаз по отношению друг к другу.
Геометрические размеры опор ВЛ косвенным образом определяют ее некоторые экономические характеристики. От значений высоты и ширины опоры при прочих равных условиях зависит объем материала, из которого изготовлены элементы опоры, а следовательно, и ее стоимость. Кроме того, ширина опоры частично определяет и поперечный размер полосы отчуждения территории под трассу линии, что в условиях рыночной экономики при высокой стоимости земли является подчас причиной отказа от сооружения ВЛ в пользу варианта кабельной линии с существенно меньшей шириной трассы.
Вертикальный и горизонтальный габариты воздушной линии определяются взаимным расположением:
- ее токоведущих элементов (проводов) и заземленных частей (траверс и стоек опоры);
- проводов и грозозащитных тросов, если последние предусмотрены конструкцией;
- проводов в нижней точке их провисания в пролете относительно поверхности земли.
В табл. 3.2 даны значения конструктивных параметров ВЛ 35—750 кВ:
- длины промежуточного пролета при сооружении ВЛ в равнинной местности;
- расстояния между фазами при их горизонтальном расположении на опоре;
- длины подвесной гирлянды изоляторов с арматурой ;
- высоты промежуточной опоры ;
- габарита линии до земли в ненаселенной местности ;
- числа проводов в фазе ;
- диапазонов сечений сталеалюминевых проводов (их алюминиевой части).
Таблица 3.2
Конструктивные параметры ВЛ 35—750 кВ | |||||||
Параметр | Номинальное напряжение, кВ | ||||||
L, м | 150-200 | 170-250 | 250-350 | 300-400 | 350-450 | 450-750 | |
Dмф, м | 3,0 | 4,0 | 6,5 | 9,0 | 12,0 | 17,5 | |
λ, м | 0,7 | 1,2-1,4 | 2,2-2,3 | 3,0-3,2 | 4,5-4,9 | 6,7-7,5 | |
H, м | 13-14 | 22-26 | 25-30 | 27-32 | 30-41 | ||
h, м | 6-7 | 6-7 | 7-8 | 7,5-8 | 10-12 | ||
n | |||||||
F, мм2 | 50-185 | 70-240 | 240-400 | 240-500 | 300-500 | 400-500 |
Данные табл.3. 2. свидетельствуют о том, что ВЛ высокого и сверхвысокого напряжений характеризуются весьма внушительными размерами. Их вертикальный габарит составляет 25—41 м, а ширина опоры, если принять ее равной двойному междуфазному расстоянию, находится в пределах от 18 до 35 м. Несмотря на то что в процентном отношении к суммарной протяженности ВЛ напряжением 35 кВ и выше такие линии в России составляют небольшую долю (менее 10 %), территория, занимаемая ими, оказывается довольно значительной. В связи с этим во всем мире проводятся исследования, направленные на создание более компактных конструкций ВЛ, которые одновременно обладали бы повышенной пропускной способностью, пониженным влиянием на окружающую среду и в большей степени удовлетворяли бы требованиям технической эстетики.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 912;