Провода и грозозащитные тросы

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 ρ, чтобы потери активной мощности на нагрев проводов и потери напряжения в линии при прочих равных условиях были по возможности минимальны.

Плотность этих материалов γ также не должна быть высокой, по­скольку при заданном поперечном сечении проводника F она определяет удельную нагрузку от собственного веса провода. Еще одним требованием является высокая механическая прочность, оцениваемая по пределу прочности на разрыв σ_разр. 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.

Различные материалы в разной степени удовлетворяют этому набору требований, и среди них не существует такого, который был бы вне конкуренции по всем показателям. На сегодня в практике сооружения ВЛ используются такие материалы, как медь, алюминий и его сплавы, а также сталь. В табл. 10.3 представлены их характеристики, упомянутые выше.

Свойства материалов, используемых для изготовления проводов ВЛ
Таблица 10.3 Материал	ρ, Ом • мм2/км	γ, кг/м3	σразр, H/мм2
Медь	17,8—18,5
Алюминий	30,0—32,5
Сплав АВ-Е	Тоже
Сталь	—
Стеклопластик	—

Из сопоставления данных табл. 10.3 следует, что удельное электрическое сопротивление алюминия больше, чем меди примерно на 65 % (ρ _ал ≈ 1,65 ρ _м), по массе он примерно в 3 раза легче меди (γ _ал ≈ 0,3 γ _м), а по прочности — в 2,5 раза хуже (σ_{разр ал} ≈ 0,4σ_{разр м}). 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.

На воздушных линиях преимущественно применяются неизолированные провода и тросы. Вместе с тем в последние три десятилетия за рубежом и в 90-е годы XX в. в России на линиях 0,4 и 6—20 кВ стали довольно широко применяться самонесущие изолированные провода (СИП), а на ВЛ 35 кВ — изолированные [10.8]. Сооружение линий с такими проводами значительно дороже по сравнению с ВЛ с неизолированными проводами, однако их повреждаемость существенно ниже. Последним в основном и объясняется их все расширяющееся применение.

Разновидности конструкций неизолированных проводов представлены на рис. 10.3. Они включают как монометаллические (из меди, алюминия, стали), так и биметаллические (сталеалюминиевые) провода. Однопроволочные провода допускаются к применению лишь на ВЛ напряжением до 1 кВ. При более высоких номинальных напряжениях используются исключительно многопроволочные конструкции. Из монометаллических в России ограниченно применяются алюминиевые провода — главным образом в местных электрических сетях 0,4 и 6—10 кВ, где длины пролетов не превышают 100—150 м. За рубежом монометаллические провода из сплавов алюминия («алдрей», «альмелек») используются на линиях всех классов номинальных напряжений.

Расширенные и полые провода 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 напряженности электрического поля на поверхности провода (около 30 кВ/см), которая обратно пропорциональна внешнему диаметру провода.

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 СВН и УВН. Так, на отечественных линиях 330 кВ используется расщепление фазы на два провода, фиксируемых на расстоянии а = 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 n = 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 сталеалюминиевые. Они имеют стальной сердечник из 1, 7, 19, 37 или 61 проволоки (соответственно 1, 2, 3, 4 или 5 повивов). На этот сердечник накладываются от 1 до 4 повивов алюминиевых проволок. В соответствии с ГОСТ 839-80 [10.9] сталеалюминиевые провода выпускаются в четырех модификациях (марок АС, АСК, АСКС и АСКП).

Наличие в марке буквы «К» символизирует коррозионную устойчивость провода. 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 сталеалюминиевого провода определяются соотношением суммарного поперечного сечения алюминиевых проволок F_ал к суммарному сечению проволок стального сердечника F_ст. По соотношению F_ал/F_ст = k_F различают пять исполнений таких проводов (табл. 10.4).

Варианты исполнения сталеалюминиевых проводов
Таблица 10.4 Исполнение	Fал/Fст	Номенклатура
Специальное облегченное	12,2—18,1	330/27; 400/22; 500/27; 1000/56
Облегченное	7,71—8,04	150/19—800/105 (15 марок)
Нормальное	6,00—6,25	35/6,2-400/64 (10 марок)
Усиленное	4,29-4,39	120/27—400/93 (6 марок)
Специальное усиленное	0,65—1,46	70/72; 95/41; 185/128; 300/204; 500/336

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.

В соответствии с ГОСТ 839-80 обозначение сталеалюминиевых 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. В качестве примера в табл. 10.5 приводятся характеристики проводов марки АС с номинальным сечением алюминиевой части 185 мм² для четырех различных исполнений. Если сопоставить такой провод облегченного исполнения с проводом специального усиленного исполнения, то последний характеризуется примерно в 2 раза большей массой и в 3 раза большим разрывным усилием F_разр. Из данных табл. 10.5 следует также, что фактическое сечение алюминиевой части провода совпадает с номинальным лишь для провода усиленного исполнения, а стального сердечника — лишь для провода марки АС 185/128. В остальных случаях они различаются, хотя и незначительно.

Характеристики проводов с Fал. ном = 185 мм2
Таблица 10.5 Марка провода	Фактические сечения, мм2	Масса, кг/км	Fразр, H	kF	Исполнение
Fал	Fст	алюминия	стали	провода
АС 185/24	187,0	24,2					7,73	Облегченное
АС 185/29	181,0	29,0					6,24	Нормальное
АС 185/43	185,0	43,1					4,29	Усиленное
АС 185/128	187,0	128,0					1,46	Специальное усиленное

В связи с необходимостью решения задач реконструкции участков электрических сетей с целью повышения их пропускной способности следует упомянуть об идее замены обычных сталеалюминиевых проводов (марки АС) на провода типа GTACSR («Gapped» TAL alloy Aluminium Conductor Steel Reinforced) [10.10]. В конструкции последних имеется зазор («gap») между стальным сердечником и внешними проводящими повивами из алюминиевого сплава. Этот зазор заполнен тугоплавкой смаз­кой. Такая конструкция обеспечивает скольжение алюминиевых слоев относительно стального сердечника, что позволяет осуществлять фикса­цию последнего в специальных зажимах и исключить при этом натяжение алюминиевого слоя.

Это, в свою очередь, гарантирует малое увеличение стрелы провеса провода, с ростом температуры, которая может быть доведена до 150 °С вместо 70 °С для проводов марки АС. При этом допустимая по условиям нагрева мощность может быть увеличена примерно в 2 раза без замены опор, которая обычно требуется при реконструкции с применением про­водов большего сечения или при повышении номинального напряжения ВЛ. Пилотные проекты ВЛ с такими проводами реализованы в Испании и Италии. Однако, как отмечается в [10.10], технико-экономического сопоставления этого решения с упомянутыми выше традиционными решениями в России пока не проводилось.

Грозозащитные тросы выполняют из стальных оцинкованных многопроволочных канатов марки ТК 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. Наилучшими характеристиками с точки зрения прохождения высокочастотного сигнала обладают тросы из сталеалюминиевой проволоки типа «алюмовелд», когда каждая проволока имеет тонкий стальной сердечник, покрытый алюминиевой оболочкой.

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. Их количество (один или два) определяется типом опоры и расположением на ней проводов. Сооружение линий 110—330 кВ без тросов допускается лишь в районах с малой интенсивностью грозовой деятельности (менее 20 грозовых часов в году), а также в особо гололедных районах, где толщина стенки гололеда больше 20 мм. Воздушные линии напряжением 110—220 кВ на деревянных опорах тросами не защищаются.

Существуют три способа подвески троса [10.11]. По первому способу трос подвешивается без изоляторов и заземляется на каждой промежуточной опоре. Лишь на металлических и железобетонных анкерных опорах он крепится на изоляторах. Согласно ПУЭ этот способ должен применяться на всех ВЛ напряжением 150 кВ и ниже. На линиях 220 кВ и выше используется второй способ, согласно которому трос крепится на изоляторах, шунтируемых искровыми промежутками, на всех опорах. При этом трос делится на участки, совпадающие с анкерными пролетами, и каждый такой участок заземляется в одной точке.

В случае использования троса для отбора мощности или высокочастотной связи применяется третий способ, когда трос полностью изолируется по всей длине линии и изоляторы шунтируются искровыми промежутками.

Классификация опор

Многообразие применяемых в электросетевом строительстве типов опор влечет за собой необходимость их классификации по целому ряду признаков. Они приведены в табл. 10.6, где также представлены соответствующие каждому признаку разновидности опор, а также некоторые краткие комментарии.

Классификация опор воздушных линий
Таблица 10.6 Признак	Тип опоры	Примечание
Количество трехфазных цепей	Одноцепная	Всех напряжений
Двухцепная	35—330 кВ
Многоцепная	—
Способ крепления проводов	Промежуточная	Зажимы поддерживающие
Анкерная	Зажимы натяжные
Положение на трассе	Угловая	В точках поворота трассы
Конструктивное выполнение	Свободностоящая	—
На оттяжках	—
Материал	Деревянная	До 220 кВ включительно
Железобетонная	До 500 кВ включительно
Металлическая	Всех напряжений
Специальное назначение	Транспозиционная	По концам участков цикла
Ответвительная	Ответвления от магистрали
Переходная	Переходы через реки и т. п.

Итак, по количеству трехфазных цепей различают опоры:

· одноцепные, которые применяются при сооружении ВЛ любых номи­нальных напряжений;

· двухцепные, которые в России применяются для ВЛ 35—330 кВ, а за рубежом и на линиях 380—500 кВ;

· многоцепные, которые применяются за рубежом в густонаселенных районах с высокой стоимостью земли для экономии территории, отчуждаемой под трассу ВЛ. В качестве примера такой конструкции на рис. 10.4 показана металлическая шестицепноя опора комбинированной ВЛ, где на верхних двух ярусах расположены фазы двух цепей 380 кВ, под ними размещены две цепи 220 кВ, а на нижней траверсе подвешены две цепи 110 кВ. Вертикальный размер этой опоры составляет 63,4 м, зато горизонтальный габарит — только 34 м.

Основанием второго признака служит способ крепления проводов. Здесь в первую очередь выделяются промежуточные опоры, на которых провода закрепляются в поддерживающих зажимах. Это основной тип опор, составляющий около 90 % их общего числа. Кроме них выделяются анкерные опоры, на которых провода закрепляются в натяжных зажимах. Эти опоры расположены по концам анкерного пролета (анкерованного участка), эскиз которого был показан на рис. 10.2.

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. При углах поворота, превышающих 20 °, устанавливают анкерные угловые опоры.

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 в России применяют на ВЛ с номинальным напряжением до 220 кВ включительно, хотя в США есть опыт строительства ВЛ 345 кВ на опорах из клееной древесины [10.7]. В качестве примера на рис. 10.5 показана одноцепная свободностоящая промежуточная деревянная опора ВЛ 110 кВ.

Нижние части опоры (пасынки) заглублены в землю на 2,5 м. Для повышения прочности заделки опор в грунте к пасынкам крепятся поперечные ригели. В настоящее время применяются опоры с железобетонными пасынками, что способствует увеличению срока службы опор. Последний определяется стойкостью древесины к гниению. Поэтому все остальные элементы — стойки, траверса и раскосы (или перекрестные ветровые связи) пропитываются антисептиком. Для их изготовления используется древесина лиственницы или сосны. Стойки соединяются с пасынками проволочными бандажами.

Унифицированные железобетонные опоры в России применяются для сооружения ВЛ с номинальным напряжением до 500 кВ включительно. Они имеют металлические траверсы и тросостойки. Стойки изготовляют из вибрированного или центрифугированного железобетона. В первом случае они имеют двутавровое, квадратное или прямоугольное сечение. Стойки из центрифугированного железобетона имеют кольцевое сечение и цилиндрическую либо коническую форму. Двухцепные одностоечные железобетонные опоры применяют при напряжениях 110—220 кВ, одноцепные (одно- и двухстоечные) на линиях 35—500 кВ. В качестве примера на рис. 10.6 показана промежуточная одноцепная свободностоящая железобетонная опора ВЛ 220 кВ с треугольным расположением проводов (на рисунке не показаны). Ее стойка имеет длину 26 м и заглубляется в грунт на 3,3 м.

Металлические опоры применяются во всем диапазоне номинальных напряжений (35—1150 кВ). Их основными элементами являются ствол (у свободностоящих опор башенного типа) или стойки (у портальных и V-образных опор), траверсы в форме пространственных ферм, тросостойки и оттяжки, если они предусмотрены конструкцией. На рис. 10.7 представлены примеры промежуточных металлических опор перечисленных выше типов (башенного, портального и V-образного).

Ствол башенной опоры состоит из четырех вертикальных поясов из стальных угольников, связывающих соседние пояса раскосов, образующих решетку, и диафрагм (горизонтальных крестообразных связей поясов), придающих опоре жесткость и устойчивость. По способу сборки металлические опоры могут быть сварными и болтовыми. Сварные опоры изготовляются на заводе секциями, размеры которых лимитируются условиями транспортировки на трассу, где эти секции сочленяются с помощью болтов. Болтовые опоры полностью собираются на трассе. Их преимуществами являются большее удобство транспортировки составных элементов и упрощение технологии защиты от коррозии (горячей оцинковки) этих элементов в заводских условиях. Примеры различных конструкций металлических опор читатель может видеть на рис. 10.8.

Наряду с описанными выше металлическими решетчатыми опорами (МРО) перспективным направлением является применение многогранных металлических опор (ММО). В мировой практике опыт строительства ВЛ с использованием ММО насчитывает около 40 лет. Внешний вид таких опор аналогичен виду железобетонных опор (см. рис. 10.6). Отличие состоит в том, что стойки таких опор собираются из полых конусообраз­ных секций длиной 11 —12 м, каждая из которых в поперечном сечении имеет форму многогранника. Так, например, стойка ММО 110 кВ состоит из двух 12-гранных секций длиной 11,45 м каждая с толщиной стенки 6 мм [10.12]. Сопоставление ВЛ 35—220 кВ, сооружаемых с использова­нием упомянутых выше видов опор (ЖБО, МРО и ММО), показало эко­номическую эффективность ВЛ на ММО как по критерию минимума инвестиций (капиталовложений), так и по критерию минимума дисконти­рованных затрат. Однако в настоящее время в России существует лишь одно предприятие, оснащенное оборудованием для изготовления много­гранных стоек.

Помимо перечисленных выше выделяется группа опор специального назначения. К ним относятся транспозиционные, ответвительные и переходные опоры. Транспозиционные опоры устанавливаются по концам участков цикла транспозиции (рис. 10.9).

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, если это допустимо по условиям влияния на проводные линии связи, прокладываемые параллельно ВЛ. Ответвительные опоры служат для выполнения ответвлений от основной линии, а переходные — для осуществления переходов через реки и другие водные пространства. Высота последних в ряде случаев достигает 100 м.

На одноцепных опорах в настоящее время применяют два расположения проводов — по вершинам треугольника (на ВЛ 35—330 кВ с железо­бетонными и стальными опорами) и горизонтальное (на всех ВЛ напряжением 220 кВ и выше и на ВЛ 35—110 кВ с деревянными опорами). На двухцепных опорах рекомендуется расположение проводов по вершинам шестиугольника (типа «бочка»).