Конструкция воздушных линий

Система проводов соединительной арматуры, опор, изоляторов, траверс, ка­белей, каналов и т. д. для передачи энергии называется линией электропередачи. В свою очередь, линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные.

Воздушной линией (ВЛ) называется линия электропередачи, располо­женная на открытом воздухе. Основными элементами воздушных линий явля­ются (рис. 2.1): 1 – провода, 2 – изоляторы, 3 – опора, 4 – грозозащитные тросы, 5 – тра­версы, 6 – тросостойки, 7 – фундаменты и линейная арматура. Провода служат для передачи электроэнергии. Изоляторы изолируют провода от опоры. Опоры поддерживают провода на оп­реде­ленном расстоянии от земли и от пересекаемых линией водных поверхно­стей, инженерных соору­жений (шоссейные и железные дороги, газопрово­ды, линии электропере­дачи и т.п.). Воздушные линии 110 (35) кВ и более высоких напряжений на металлических и желе­зобетонных опорах и часть линий на деревянных опорах соо­ружаются с грозозащитными тросами, предназна­ченными для защиты проводов от непосредствен­ных разрядов в них молний. С помо­щью линейной арматуры провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опорах.

Воздушным линиям электропередачи, как наиболее простым и дешевым уст­ройствам по передаче и распределению электроэнергии, отдается предпочтение по сравнению с кабельными линиями.

На ВЛ применяются неизолированные провода, т.е. без изолирующих покровов. Провода ВЛ в основном изготовляются из алюминия и его сплавов и реже из меди и ее сплавов. В отдельных случаях ока­зывается необходимым применение стальных проводов. Алюминий, медь и их сплавы применяются в виде холоднотянутой проволоки, обладающей достаточной механической прочностью.

Алюминиевые проволоки имеют низкий предел напряжения усталости и потому подвержены изломам при вибрации проводов. Медь является очень хорошим материалом для изготовления проводов. Од­нако в ряде стран, в том числе и в России, медь дефицитна, и поэтому медные провода применяются лишь в тех случаях, когда по тем или иным показателям невозможно применение алюминиевых или стале­алюминевых проводов. Для изготовления проводов из сплавов меди применяется бронза, обладающая высокой механической прочностью.

В предшествующий период на воздушных линиях 380 В – 10 кВ применялись стальные провода. В настоящее время такие провода не применяются, так как они обладают существенно большими активны­ми сопротивлениями (сравнительно с алюминиевыми и сталеалюминевыми проводами), что приводит к столь же повышенным потерям мощности, электроэнергии и напряжения в линиях. К недостаткам стальных проводов относится и их повышенная коррозионность в природных условиях. Применение стальных проводов оправдывается на линиях 110 (35) – 330 кВ для выполнения особенно больших про­летов переходов линий через широкие водные пространства, горные долины и т.п. (от нескольких сотен метров до 3–5 км).

Сталь высокой прочности применяется для выполнения грозозащитных тросов линий 110–220 кВ. В последние годы грозозащитные тросы используются для организации высокочастотных каналов связи. Такие тросы выполняются сталеалюминевыми.

По конструкциям проводов воздушных линий различаются однопроволочные и многопроволочные из одного металла, а также многопроволочные из двух металлов.

Однопроволочные провода (рис. 2.2а) разрешается применять только на линиях напряжением до 1000 В. Все линии более высоких номинальных напряжений сооружаются с многопроволочными прово­дами. Основными преимуществами применения многопроволочных проводов являются большая надежность в эксплуатации, большая гибкость.

Многопроволочные провода из одного металла (рис. 2.2б) свива­ются из проволок одного и того же диаметра. Выпускаются алюминиевые многопроволочные провода марок А и АКП. Отличие марки провода АКП от А – межпроволочное пространство АКП заполнено нейтральной смазкой повышенной термостойкости, противодействующей появлению коррозии. Провода из сплавов алюминия (АН– нетермообработанный, АЖ – термообработанный сплав) имеют большую механическую прочность и примерно такую же проводимость, как и провода марки А.

Конструкция многопроволочных проводов из двух металлов (рис. 2.2в) создана с целью со­четания высокой механической прочности стальных проволок сердечника с хорошей электри­ческой проводи­мостью менее прочных проволок наружных повивов. Из проводов такого типа наибольшее распространение получили сталеалюминевые провода, которые широко приме­няются в мировой практике благодаря их относительно невысокой стоимости и хорошим меха­ническим и электропроводящим свойствам. Соотношение площадей поперечного сечения алю­миниевой и стальной частей в проводах разных марок и разных областей применения обычно находится в пределах 4,0-8,0. Проводимость стального сердечника не учи­тывается, а за элек­трическое сопротивление принимается только сопротивление алюминиевой части. В соответст­вии с ГОСТ 839-80 выпускаются сталеалюминевые провода марок АС, АСКС, АСКП, АСК. Провод марки АС состоит из стального сердечника и алю­миниевых проволок. Провод предна­значается для ВЛ при прокладке их на суше, кроме районов с загрязненным вред­ными хими­ческими соединениями воздухом. Коррозионно-стойкие провода АСКС, АСКП, АСК предна­значены для ВЛ, проходящих по побережьям морей, соленых озер и в промышленных районах с загрязненным воздухом; АСКС и АСКП – это провода марки АС, но межпроволоч­ное про­странство стального сердечника (С) или всего про­вода (П) заполнено нейтральной смазкой по­вышенной тер­мостойкости; АСК – провод марки АСКС, но стальной сер­дечник изолирован двумя лентами полиэтиленовой пленки.

Алюминий Сталь Наполнитель

Рис. 2.2. Провода ВЛ.

В обозначение марки провода вводится номинальное се­чение алюми­ниевой части провода и сечение сталь­ного сер­дечника: АС 120/19 или АСКС 150/34.

Между проводами воздушных линий, находящимися под напряже­нием, и конструктивными частями опор изоляция осуществляется с помощью изоляторов. Как и прочие элементы воздушных линий, изоляторы работают в достаточно тяжелых и меняющихся в широком диапазоне механических и климатических условиях, поэтому материал и конструкция изоляторов должны удовлетворять ряду требований. Основными из этих требований помимо высоких изоляционных ка­честв являются необходимая механическая прочность, экономичность и стойкость к природно-климатическим условиям.

Основными материалами для изготовления изоляторов воздушных линий служат фарфор и закаленное стекло. Оба эти материала облада­ют высокими изоляционными свойствами и достаточно хорошим со­противлением на разрыв и сжатие; вместе с тем они имеют относитель­но малую прочность на поперечный изгиб. Эти качества фарфора и стекла учитываются при конструировании линейных изоляторов. В последнее время начинают использоваться полимерные изоляторы. Их основными достоинствами являются малая масса (в 7–10 раз меньше, чем фарфоровых изоляторов) и влагоотталкивающие свойства наружной поверхности. Применение данных изоля­торов перспективно для линий 110 кВ и более высоких напряжений.

При монтаже и эксплуатации проводов и тросов возникает необхо­димость сращивать отдельные их отрезки, что выполняется с помощью соединителей. Закрепляются провода и тросы некрупных марок обжа­тием их в овально-трубчатых соединителях (или закручиванием прово­дов вместе с соединителем) (рис. 2.3а). Провода крупных марок сращиваются опрессованием на них соединителей (рис. 2.3б), при­чем при сталеалюминевых проводах отдельно спрессовываются сталь­ной соединитель на стальном сердечнике провода, а на токоведущей части – алюминиевый корпус соединителя. Сварка проводов некруп­ных марок применяется для сущест­венного снижения электрического сопротивления контакта в месте сое­динения (сравнительно с обжатием или скруткой провода и соединителя), однако в таком конструктивном ис­полнении, когда исключается воспри­ятие сварным соединением значитель­ных механических усилий. Аналогич­на цель сращивания проводов с при­

менением "взрыва" в специальном кожухе.

Рис. 2.3. Обжимаемый овально-трубчатый и прессуемый соединители

сталеалюминевых проводов.

Опоры воздушных линий предназначены для подвески проводов на необходимой высоте над поверхностью земли или над пересекаемыми линией техническими сооружениями (шоссе, железные дороги, иные линии электропередачи и др.).

Опоры классифицируются по ряду признаков, основные из кото­рых – материал опоры, количество трехфазных линий, провода кото­рых подвешены на опоре, основное назначение опоры в составе линии (тип опоры), расположение проводов на опорах, конструктивное выполнение, а также способ обеспечения устойчивого вертикального положения опоры.

Опоры выполняются из металла, железобетона и древесины. Мате­риал для изготовления опор для той или иной линии выбирается на основании технико-экономических сопоставительных расчетов с учетом конкретных экономических условий сооружения и эксплуатации линий в рассматриваемом районе.

Металлические опоры получили широкое распространение ввиду высокой механической прочности металлов, значительного срока их службы, возможности создания опор практически любой конструкции, высоты и прочности. К недостаткам металлических опор относятся их высокая стоимость, большая масса и в некоторых случаях сложность доставки их частей на трассу линии. Как правило, металлические опоры изготовляются из стали; основным недостатком этого материала является подверженность коррозии. Поэтому приходится принимать меры для предотвращения окисления их поверхности. До недавнего времени это осуществлялось покрытием поверхности стальных опор битумными лаками с последующей окраской. Современным методом является заводская горячая оцинковка всех стальных изделий или частей опоры.

В отдельных случаях опоры выполняются из сплавов алюминия. Малая масса таких опор делает их удобными для сооружения линий электропередачи в условиях труднопроходимых трасс, когда затрудне­на доставка опор на места их установки. Достоинством опор из алюми­ния также является их стойкость к окислению, в связи с чем отпадает необходимость в антикоррозионных покрытиях их поверхностей.

Железобетонные опоры изготовляются со стойками из железобетона и со стальными (оцинкованными) или реже с железобетонными травер­сами. Железобетонные части таких опор имеют продольную и попе­речную стальную арматуру. Положительными качествами железобетон­ных опор являются меньший расход металла и меньшая стоимость по сравнению с металлическими опорами. К их отрицательным качествам относятся большая масса, относительная хрупкость поверхности бетона (это предъявляет высокие требования к их транспортировке), а также пониженная прочность деталей на поперечный изгиб. Последнее обус­ловливает целесообразность изготовления железобетонных частей опор с предварительно напряженной (растянутой) арматурой.

Деревянные опоры применяются на линиях электропередачи из-за относительно невысокой их стоимости в тех районах, где проводятся большие разработки лесных массивов, и в прилегающих к ним зонах. Эти опоры просты в сборке и замене их частей в эксплуатации, легка и транспортировка частей опор. Опоры изготовляются из сосны, лист­венницы, реже из ели. Основными недостатками деревянных опор являются подверженность древесины загниванию, а также возможно­сти получения бревен лишь ограниченной строительной длины (до 6–11, реже 11–15 м), что соответственно ограничивает сроки службы частей опоры, высоту опор и длины пролетов линий. Для ограни­чения загнивания древесины бревна длительно просушивают на от­крытом воздухе и затем пропитывают антисептиками, препятствующи­ми развитию гниения древесины. Срок службы различных частей деревянных опор из хорошо пропитанной сосновой древесины возрас­тает до 10–15 лет сравнительно с 3–10 годами при отсутствии такой профилактики. В некоторых районах нашей страны (Сибирь, Дальний Восток, север европейской части) целесообразно использование лист­венницы, древесина которой незначительно подвержена загниванию и служит 20–40 лет без профилактических мероприятий. Ввиду относи­тельно небольшой длины прямоствольных и необходимых по диаметру бревен, которые могут быть получены для сооружения линий, деревян­ные опоры обычно изготовляются с составными стойками, выполня­емыми из собственно стойки и заглубляемого в землю пасынка.

Ведутся работы по выполнению траверс или всей верхней части (головки) опоры из синтетических материалов – стеклопластика, эпоксидных и полиэфирных смол. При соот­ветствующей конструкции опор отпадает необходимость в линейных изоляторах, функции которых в этих случаях выполняют траверсы или детали "головки" опоры.

По назначению различаются следующие основные типы опор: про­межуточные, анкерные и анкерные-угловые.

Промежуточные опоры предназначены для поддержа­ния проводов в нормальных режимах работы линий, когда действуют вертикальные силы веса всех элементов линии и гололедных отложе­ний на них, а также давление ветра.

Анкерные опоры в нормальных режимах работы линии выполняют те же функции, что и промежуточные. Но эти опоры рас­считываются также и на восприятие значительных тяжений по прово­дам и тросам, возникающих при обрыве части из них в промежуточ­ном пролете, а также при монтаже проводов и тросов. При этом анкер­ные опоры не должны деформироваться, в связи с чем они выполняются в форме пространственных ферм, а также с применением растя­жек. На линиях с железобетонными промежуточными опорами анкерные опоры обычно выполняются стальными.

Разновидностью анкерных являются концевые опоры, пограничные между воздушной линией и конструкциями распределительных уст­ройств электрических станций и подстанций. Концевые опоры пред­назначены для восприятия одностороннего действия всех сил, обуслов­ленных проводами линий, что позволяет конструкции распредели­тельных устройств не рассчитывать на действие указанных сил.

Естественно, что трассы линий не могут быть выполнены прямоли­нейными: линии сооружаются с обходами населенных пунктов, пред­приятий, естественных преград и т.п. Изменение направления трассы линии производится на анкерных угловых опорах. На эти опоры постоянно действуют равнодействующие сил тяжений по проводам и грозозащитным тросам. Данные силы направлены по бис­сектрисе внутреннего угла поворота трассы. Основной отличительной чертой анкерных угловых опор являются элементы (подкосы, растяжки), воспринимающие указанные силы; данные элементы работают на сжатие (подкосы) или на растяжение (подкосы, растяжки).

Устойчивость вертикального положения (во всех режимах) свободностоящих металлических опор обеспечивается соответствующей проч­ностью их конструкций, а также закреплением их на специальных железобетонных фундаментах или сваях, заглубленных в грунт на 2.25–3.0 м. Устойчивость одностоечных железобетонных свободностоящих опор, а также деревянных опор обеспечивается заглублением в грунт нижних частей их стоек или приставок к стойкам.

Устойчивость опор по отноше­нию к действию горизонтальных сил может обеспечиваться не только закреплением собственно опоры в грунте, но и специальной системой стальных тросов–растяжек. Растяжки крепятся к верхним частям опор и к анкерным плитам, заглубленным в грунт на 2–3 м. Действие вер­тикальных сил веса всех элементов воздушных линий воспринимается только стойками опор, имеющими шарнирные соединения с относи­тельно легкими подземными фундаментами.

Существенную характеристику конструкций опор составляет число цепей трехфазных линий, несомых одной опорой. Наиболее распрост­раненными типами являются одноцепные опоры, предназначен­ные для подвески проводов трех фаз одной линии и двухцепные опоры для двух трехфаз­ных линий переменного тока. Сооружение линий на двухцепных опорах (сравнительно с их осуществлением на одноцеп­ных опорах) дает экономию конструктивных материалов опор, а также уменьшает ширину трассы таких линий. Надежность передачи элект­роэнергии по двум параллельным линиям несколько выше при приме­нении одноцепных опор.

По расположению проводов на опорах различают расположение проводов треугольником, горизонтальное (одноцепные линии), елкой, бочкой и обратной елкой (двухцепные линии). Конструкции опор различаются по числу стоек: одно- и двухстоеч­ные, редко трехстоечные.

Каждое из расположений проводов обладает достоинствами и недостатками по весовым, технико-экономическим показателям опор и удобству монтажа и эксплуатации линий. Учитывая эти факторы, выбирают рациональное расположение проводов для конкретных кон­струкций опор и линий. При расположении проводов разных фаз линии в вертикальных плоскостях им придается взаимный сдвиг по горизонталям, с тем чтобы избежать опасных сближений или схлестываний проводов между собой (или проводов и тросов) при внезапном сбросе гололеда, при пляске проводов и тросов, а также чтобы в неко­торых вариантах создать удобные условия их монтажа.

При пересечениях воздушными линиями рек, морских проливов, водохранилищ, горных ущелий и т.п. пролеты пересечений составляют от нескольких сотен метров до 2–5 км. При таких длинных пролетах образуется провисание проводов и грозозащитных тросов в десятки и сотни метров и потому необходимо применение переходных опор повышенной высоты (до 100 м и более).