Общая характеристика воздушной линии и условий ее работы

В «Правилах устройства электроустановок» (ПУЭ) содержится ещё одно определение воздушной линии, несколько отличающееся от приведённого в данной лекции в соответствии с ГОСТ. Оно гласит, что «воздушная линия — это устройство для передачи электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикреплённым 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. Наглядное представление о составе конструктивных элементов ВЛ даёт рисунок 8.1.

Рис. 8.1. Конструктивные элементы ВЛ

1 - провода фаз линии (А, В, С); 2 – грозозащитные тросы (Т-1, Т-2); 3 – опора; 4 – гирлянда изоляторов; 5 – элементы арматуры; 6 – фундаменты

Естественно, главными элементами являются провода фаз линии А, В, С, непосредственно осуществляющие передачу электроэнергии. Для защиты проводов от прямых ударов молнии служат тросы, монтируемые в верхней части опор на тросостойках. Опоры предназначены для надёжного поддержания проводов и тросов на определённой 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 заземлённым 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.8.2. Эскиз анкерного пролёта

1 – поддерживающая гирлянда; 2 – натяжная гирлянда; 3 – промежуточная опора; 4 - анкерная опора

На рисунке 8.2 показан участок одноцепной воздушной линии между опорами, которые по виду отличаются от показанной на рисунке 8.1. Эти опоры называются анкерными, а расстояние L_a между ними по трассе — анкерным пролётом. Такие опоры, в отличие от расположенных между ними промежуточных опор, рассчитаны на противодействие значительным силам одностороннего тяжения по проводам, возникающим при их обрыве в примыкающем к анкерной опоре промежуточном пролете длиной L, а также при монтаже проводов и тросов. Провода на анкерных опорах жёстко закрепляются на натяжных гирляндах изоляторов, а на промежуточных опорах — на поддерживающих гирляндах, имеющих длину l_г. 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. На рисунок 8.2 стрела провеса провода обозначена f_п, а троса — f_т. Расстояние от низшей точки провода до земли, воды или пересекаемых объектов h_г называется габаритом линии. Оно определяется в ПУЭ в зависимости от U_ном, характера местности и типа пересекаемого линией сооружения и для ВЛ с U_ном 500 кВ, сооружаемых в не населённой 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:

1. вес всех элементов линии;

2. вес гололёдоизморозевых отложений на проводах, тросах и опорах;

3. давление ветра на провода, тросы и опоры;

4. тяжения по проводам и тросам.

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 определённых 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 гололёдообразования неодинакова в различных регионах страны. Вся территория России делится на восемь районов, различающихся возможной максимальной толщиной стенки гололёда.

Значения максимальных толщин стенок гололёда и максимальных ветровых давлений для ВЛ определяются на высоте 10 м над поверхностью земли с повторяемостью 1 раз в 25 лет (нормативные значения) Карты районирования страны по гололёдным условиям приводятся в ПУЭ. Данные таблицы 8.3. характеризуют принцип такого районирования.

Таблица 8.3. Районирование по толщине стенки гололёда

Район по гололёду	Нормативная толщина стенки гололёда b, мм
I
II
III
IV
V
VI
VII
Особый	Выше 40

Аналогичным образом территория России делится на восемь 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 расчёте на одну опору могут достигать сотен тысяч ньютонов и обязательно учитываются при проектировании механической части ВЛ. В таблице 8.4 приведены характеристики указанных восьми районов. Из таблицы 8.4 видно, что максимальная расчётная скорость ветра может быть выше 49 м/с (Особый район), это соответствует по давлению более 1500 Па (1 Па = 0,102 кгс/м²). Отложения гололёда увеличивают площади поверхностей проводов и тросов, на которые оказывает давление ветер, что приводит к возрастанию горизонтальных нагрузок. Территория европейской части России в основном относится к II—III районам по гололёду и к I—II районам по ветру, территория Московской области — ко II району по гололёду и к I району по ветру.

Таблица 8.4. Районирование по скоростным напорам ветра

Район по ветру	Нормативное ветровое давление Wn, Па (скорость ветра v., м/с)
I	400 (25)
II	500 (29)
III	650 (32)
IV	800 (36)
V	1 000 (40)
VI	1 250 (45)
VII	1 500 (49)
Особый	Выше 1 500 (выше 49)

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 счёте 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 пляска проводов и тросов. Обычно это явление наблюдается в период, когда провода и тросы покрыты гололёдом. 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 гололёда, осуществляемая с помощью специального оборудования, обеспечивающего прохождение по линии больших токов и такой нагрев проводов, при котором происходят таяние и сброс ледяной корки.