Лекция 2. Конструктивные особенности воздушных, кабельных линий, трансформаторов

2.1 Конструктивные особенности воздушных линий

Воздушными линиями электрических сетей называются линии электропередачи, расположенные на открытом воздухе. Часть линии сооружает­ся с грозозащитными тросами, назна­чением которых является экранирова­ние (защита) проводов от непосред­ственного разряда в них молнии.

Конструктивная часть воздушной линии в целом характеризуется:

Ø дли­нами промежуточного и анкерного пролетов,

Ø типами примененных для ее сооружения опор,

Ø их габаритными гео­метрическими размерами,

Ø марками проводов и грозозащитного троса.

Основными конструктивными элементами воздушной линии (ВЛ) (рис. 1.1) являются: стойка опоры 1, провода 2, грозозащитный трос 3, тросостойка 4, траверсы 5, изоляторы 6 и фундамент 7. Кроме того, к элементам ВЛ относится линейная арматура, необ­ходимая в основном для крепления элементов ВЛ друг к другу.

Расстояние провода в низшей точке его провисания до земли называется габаритным расстоянием провода до земли h_r В насе­ленной местности величина h_r не должна быть меньше 6 м. Габариты ВЛ (рис. 1.2),

f_n — стрела провеса провода;

f_r — стрела провеса троса;

Н — высота опоры;

/ — длина пролета.

λ — длина гирлянды изоляторов,

D_u D₂ — расстояния от проводов до оси опоры,

D — ширина опоры,

Рис. 1.1. Конструкция ВЛ с напряжением: а — 220 кВ; б — 500 кВ

Длиной пролета (пролетом линии) называется измеренное по горизонтали расстояние между опорами. Различают пролеты: про­межуточный между соседними опорами и анкерный между двумя опорами анкерного (усиленного) типа (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Некоторые габаритные расстояния В Л

Расстояние от низшей точки провода или троса до прямой, соединяющей соответствующие точки подвеса, называется стрелой провеса провода или троса. На линиях 10—500 кв стрелы провеса со­ставляют 1—12 м.

Наименьшие расстояния от низшей точки проводов до зем­ли, воды или каких-либо пересекаемых линией технических объектов (полотно шоссе, провода электрифицированной железной дороги и т. д.), устанавливаются нормами по условиям безопасного передвижения людей и транспорта под линиями. Эти расстояния (6—8 м) зависят от номинального напряжения электропередачи, от характера местности по ее населен­ности или типа пересекаемого технического сооружения.

На рис. 1.3 показаны основные схемы расположения проводов и тросов на опорах линий трехфазного тока. Провода могут обра­зовывать один, два или три яруса. Расположение проводов в один ярус (рис. 1.3, а—д) принято называть горизонтальным, в два или три яруса без смещения по горизонтали (рис. 1.3, е—к) — верти­кальным. Расположение проводов в два или три яруса, при кото­ром находящиеся друг над другом провода имеют горизонтальное смещение (рис. 1.3, л—т), называется смешанным.

Воздушные линии выполняются голыми (неизолированными) проводами. В зависимости от конструкции различают одно проволочные, многопроволочные монометаллические, многопроволочные биметаллические и голые провода. Сечения проводов нормиро­ваны государственным стандартом.

2.2.Условия работы ВЛ и требования к материалам их конструкций.

Все конструктивные элементы воздушных линий работают в достаточно сложных и меняющихся в широких пределах условиях и должны противостоять воздействию ряда внешних факторов. Основными из них являются:

1) механические силы веса всех частей воздушных линий, веса гололедно-изморозевых отложений на проводах, тросах и опорах, давления ветра на них, а также тяжения по про­водам и тросам;

2) суточное и сезонное изменение температуры воздуха;

3) химическое и электрохимическое воздействие влаги, химических элементов и соединений, находящихся в составе воздуха или во взвешенном состоянии.

ОБРЫВ ПРОВОДА.

На опоры ВЛ действует нагрузка проводов, изоляторов, грозо­защитных тросов и линейной арматуры. Величина нагрузки, при­ходящаяся на одну опору, может быть от нескольких десятков до десятков тысяч килограмм-сил (кГс). При обрыве провода возни­кают горизонтальные тяжения, направленные вдоль линии. Естественно, что действие сил веса всегда направлено вертикально вниз. Эти силы также значительны и могут составлять от десятков до не­скольких тысяч килограмм-сил (кГс).

Если происходит обрыв проводов (или тросов) в одном из пролетов линии, то вес и натяжение оставшихся необорванны­ми проводов (или тросов) обуславливают горизонтальные тяжения, направленные вдоль линии.

ГОЛОЛЁДООБРАЗОВАНИЕ.

При перемещениях воздуха над поверхностью земли теплые массы, содержащие определенное количество влаги в виде па­ров воды или во взвешенном состоянии, приходят в соприкос­новение с холодным воздухом. В пограничном слое этих двух масс воздуха создаются условия для существования пере­охлажденных паров воды. Если переохлажденные пары воды соприкасаются с частями линии электропередачи, температура которых в это время несколько ниже нуля, то происходит образование кристаллов льда на конструктивных элементах линий. Капли тумана, дождя и мокрый снег, оседающие на проводах, тросах и конструкциях опор, имеющих отрицатель­ную температуру, также образуют лед или смерзшуюся вокруг проводов ледяную массу. Это явление, называющееся гололедообразованием. При температуре воздуха порядка -3...- 7°С на проводе ВЛ от­лагается масса смеси снега и льда — гололедно-изморозиевое об­разование.

Интенсивность гололедообразований зависит от ряда усло­вий и, в первую очередь, от насыщенности воздуха влагой и скорости наноса влажного воздуха или мокрого снега на кон­струкции линий. Поэтому ин­тенсивность гололедообразова­ний выше вблизи больших водных поверхностей озер, во­дохранилищ, морей, на навет­ренной стороне холмов, скло­нов гор. Интенсивность гололедообразования возрастает с увеличением высоты опор. Ряд специфических особенностей микроклимата, рельефа, леси­стости местности и застройки отдельных районов также ока­зывают влияние на размеры гололедных отложений.

Толщина стенки гололедно-изморозевых образований со­ставляет нескольких милли­метров до нескольких санти­метров, а их вес, приходящий­ся на одну опору, может до­стигать порядка десятков или сотен килограммов. Большая часть этого веса приходится на вес гололеда на проводах и тросах.

Толщина стенки гололедно-изморозиевых образований Ь (рис. 1.4) при приведении их к правильной цилиндрической фор­ме достигает 10...20 мм и более в зависимости от климата и бли­зости водных пространств. Нагрузка при гололеде, приходящаяся на одну опору, может достигать десятков и сотен кГс. Провода ВЛ также испытывают нагрузку от гололедно-изморозиевых обра­зований.

Кинетическая энергия движущихся масс воздуха, встречаю­щих на своем пути воздушные линии, воспринимается конструк­циями линий. Обычно принимается, что давление ветра на провода, тросы и опоры направлено горизонтально. Размеры этих сил, приходящихся на одну опору, достигают десятков и сотен килограммов. Наибольшие скорости ветра, учитываемые при проектировании воздушных линий, составляют обычно 25—35 м/сек.

Кинетическая энергия движущихся масс воздуха воспринима­ется конструктивными элементами линий. Обычно принимают, что давление ветра на провода, тросы и опоры направлено гори­зонтально. Суммарная нагрузка, приложенная к проводу, Р_рез по­лучается геометрическим сложением векторов действующих сил: G — силы массы провода (с гололедом) и Р_в — силы давления ветра (рис. 1.5).

рис. 1.4. Поперечное сечение про- Рис. 1.5. Результирующая нагрузка
вода с гололедом: d — диаметр про- на провод

вода; b — толщина стенки гололеда

Описанные выше гололедно-изморозевые отложения увели­чивают поверхности конструкций воздушных линий, на кото­рые оказывает давление ветер.

ВИБРАЦИЯ.

Действие ветра обусловливает появление вибрации проводов. Это явление возникает при равномерном движении воздуха с не­большой скоростью (0,6…0,8 м/с). В этом случае за проводом че­рез определенные интервалы времени возникают вихреобразные движения воздуха поочередно ниже и выше горизонтальной оси провода, что приводит к его вибрации, как это показано на с. 1-5, а я б. Поочередное образование вихрей приводит к периодическому повышению, скоростей движения воздуха, обтекающего провод по «нижней» и «верхней» частям. В области вышиной скорости образуется некоторое разряжение воздуха, куда и «втягивается» провод.

При совпадении или близ­ких значениях частоты вихреобразования и собственной частоты провода возникает автоко­лебательный процесс вибра­ции. Вибрация проводов и тросов характеризуется час­тотой в единицы и десятки колебаний в секунду, при амплитуде в единицы и де­сятки миллиметров. Длина волн составляет десятки миллиметров. Вибрация вы­зывает многократные перегибы проволок, из которых свиты провода и тросы, что приводит к появлению в них знакопеременных напряжений изгиба. Наибольшие на­пряжения такого рода появляются в местах закреплений проводов и тросов — в зажимах, подвески к изоляторам. Следствием вибрации могут явиться изломы отдельных проволок из-за знакопеременных изги­бов и обрыв провода. Для предотвращения разрушения проводов применяют специальные средства, например подвеску специаль­ных виброгасителей вблизи мест крепления проводов и тросов к гирляндам изоляторов.

ПЛЯСКА ПРОВОДОВ

Под действием ветра может возникать, кроме того, так называемая пляска проводов и тросов. Это явление образуется, как правило, при значительных скоростях ветра (10—30 м/сек) и, в большинстве случаев, при наличии на проводах отложений гололеда. Вместе с тем, в ряде случаев пляска проводов возни­кает и при отсутствии гололеда. Явление пляски проводов характеризуется относительно малой частотой (единицы колебаний в секунду) и большой амплитудой колебаний, дохо­дящей до-величины стрелы провеса провода или троса. Коле­бания происходят в плоскостях, близких к вертикальным. В пролете укладывается целое число полуволн, причем наблю­даются и случаи всего одной—трех полуволн в пролете (рис. 1-6).

Появление пляски проводов и тросов объясняется аэродинамическими свойствами провода, покрытого гололедом, или провода без гололеда при движении воздуха не по гори­зонтальному направлению или не перпендикулярно к линии. Движение с большой амплитудой значительных масс пля­шущих проводов и тросов (сотни, иногда — тысячи килограм­мов) приводит к воздействию больших динамических сил на узлы креплении проводов к изоляторам, изоляторов к опорам, на изоляторы и конструкции опор. Последнее приводит к поломкам и разрывам деталей крепления, а иногда и к по­вреждениям траверс опор. Но наиболее частым последствием пляски проводов является отключение линий из-за взаимных замыканий проводов и тросов или перекрытий воздушных про­межутков между ними.

Основным средством прекращения «пляски проводов» является плавка гололеда путем пропускания по проводам и тросам значительных токов.

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.

Изменение температуры воздуха приводит к изменениям длины проводов ВЛ. При очень низких температурах провод сокращается и натягивается в пролете, увеличивая механическое напряжение в материале провода. Поэтому при расчете проводов на механическую прочность необходимо учитывать температуру воздуха.

Влага и химические реагенты, входящие в состав воздуха и почвы, также воздействуют на конструктивные элементы линий передачи (окисление и коррозия металлов, гниение дерева). Химические соли, кислоты, щелочи про­мышленного или природного происхождения, оседая на частях воздушных линий, вызывают химическую или электрохимиче­скую коррозию. Для районов с повышенным содержанием влаги и вредных для металлов веществ используют провода, защищенные специальной пленкой или смазкой.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ.

К ним относятся по­ражения ВЛ ударами молний, которые приводят к прожиганию проводников, грозовым перенапряжениям на ВЛ, перекрытиям изоляции и, как следствие, к аварии на ВЛ. При ударе молнии в опору по ней протекают токи, величина которых может превышать 200 кА. Наиболее часто регистрируются токи молнии в пределах до 50 кА.

При непосредственном поражении проводов ВЛ ток молнии растекается в обе стороны от места прямого удара. Перекрытие изоляции достигается уже при токах 10... 15 кА, вероятность которых велика. Поэтому в качестве основного средства грозозащиты при­меняется подвеска заземленных тросов вдоль линии. Защитное действие тросов на ВЛ принято характеризовать показанным на рис 1.7 углом защиты, образованным вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с проводом. Значение угла защиты, как правило, выбирается не более 20...30°.

Рис. 1.7. Защитная зона грозозащитных тросов

При анализе условий работы конструкций воздушных линий и требований, предъявляемых к ним, безусловно, необходимо иметь в виду, что основное назначение любой линии электриче­ской сети заключается в осуществлении экономически целе­сообразной передачи электроэнергии. Выполнение такого требо­вания обеспечивается применением проводов из металлов с хорошей электрической проводимостью и, вместе с тем, приемлемых по своей стоимости для массового применения.

Материалы, из которых сооружаются опоры воздушных линий, также должны быть экономически целесообразными для того района, где сооружается линия.

Из приведенного краткого обзора условий работы воздуш­ных линий электропередачи следует, что конструктивные мате­риалы и конструкции этих линий должны отвечать группе опре­деленных требований:

1) провода воздушных линий должны обладать хорошей электрической проводимостью;

2) линии должны сооружаться из недефицитных материалов, экономически приемлемых для сооружений массового типа;

3) материалы всех конструктивных элементов должны об­ладать определенной и достаточно высокой механической проч­ностью;

4) материалы всех конструктивных элементов должны об­ладать значительной стойкостью по отношению к коррозии и химическим воздействиям.

2.3.Провода воздушных линий.

Провода выполняются из медных, бронзовых, алюминиевых и стальных проволок, а также из алюминиевых сплавов. Удельное сопротивление медных проволок — 18 Ом-мм²/км, а алюминие­вых — 28,8 Ом • мм²/км. Удельное сопротивление стальных прово­дов много выше, чем у медных или алюминиевых, и зависит от про­текающего тока, так как сталь является магнитным материалом. Медь, алюминий и их сплавы с иными металлами применяются в виде холоднотянутой проволоки, обладающей достаточной механической прочностью.

Холоднотянутая медная проволока.

Медь не ломка и не хрупка. Пленка окиси меди, покрывающая поверхность проволок, об­ладает высокой механической и химической прочностью и достаточно надежно защищает провод от дальнейших корро­зийных и химических воздействий и является очень хорошим материалом для изготовления проводов. Из сплавов меди наиболее часто для проводов воздушных линий применяется бронза. Медные и бронзовые провода для ВЛ в настоящее время не применяются из-за большой стоимости меди.

Холоднотянутая алюминиевая проволока.

Алюминиевые проволоки имеют низкий предел напряжения усталости и потому подвержены значительным повреждениям при вибрации проводов. Стойкость алюминие­вых проводов к химическому воздействию высока, благодаря прочной пленке окиси алюминия, покрывающей проволоки.

Сталеалюминевые провода.

Небольшая механическая прочность алюминия привела к появле­нию сталеалюминевых проводов, у которых сердечник выполнен из стальных проволок. В сталеалюминевых проводах имеет место усиленная элект­рохимическая коррозия алюминия в присутствии стали в среде, содержащей хлор. На воздушных линиях, проходящих вблизи морей, океанов, химических производств, где в воздухе имеют­ся химические соединения, содержащие хлор, не рекомендуется применение проводов с алюминиевой токоведущей частью. В по­следнее время разрабатываются и применяются специальные жировые и пластиковые покрытия, предотвращающие электро­химическую коррозию алюминиевых проволок. Эти провода преимущественно и применя­ются на ВЛ. Из сплавов алюминия некоторое приме­нение получил алдрей — сплав алюминия с железом, магнием и кремнием (доли процента).

Стальные провода.

Стальные провода изготовляются из проволоки с предель­ном сопротивлением на разрыв 60—70 кГ/мм². Значительная подверженность стали окислению делает необходимой горячую оцинковку стальных проволок. Стальные сердечники сталеалю­миневых проводов, а также в некоторых случаях стальные провода и тросы выполняются из высокопрочной стали с пре­дельным сопротивлением 120 кГ/мм².

К достоинствам стали относится: ее высокая механическая прочность и невысокая стоимость. Ее недостатками являются значительные активные сопротивления, приводящие к большим потерям напряжения, мощности и электроэнергии в линиях, а также указанная высокая коррозийность. Стальные провода применяются при передаче относительно небольших мощностей (до десятков киловатт) на небольшие расстояния (до единиц километров) или в случае больших пролетов переходов линий через ущелья, водные пространства и т. п. В последние годы область приме­нения стальных проводов значительно сократилась за счет широкого применения алюминиевых и сталеалюминиевых про­водов.

По конструкциям различаются следующие типы проводов (рис. 1-7):

а —однопроволочный;

б — многопроволочный одно-металлический;

в — многопроволочный из двух металлов;

г — пустотелый.

Однопроволочные провода (рис. 1-7, а) применяются только на линиях напряжением до 1000 в. Все линии более высоких номинальных напряжений сооружаются только с многопрово­лочными проводами. Основными причинами преимущественно­го применения многопроволочных проводов являются:

1) невозможность или сложность изготовления холоднотянутой про­волоки диаметром более 3—4 мм;

2) большая надежность в эксплуатации многопроволочных проводов;

3) большая их гиб­кость, что является серьезным достоинством в производстве, монтаже и эксплуатации линий.

Многопроволочные однометаллические провода (рис. 1-7, б) свиваются из проволок одного и того же диаметра.

Рис 1-7

Конструкция многопроволочных проводов из двух металлов (рис. 1-7, в) была создана с целью сочетания высокой меха­нической прочности стальных проволок, из которых изготов­ляется центральная часть провода, с хорошей электрической проводимостью менее прочных проволок наружных повивов. Из такого типа проводов наибольшее распространение получи­ли сталеалюминевые провода. Эти провода широко приме­няются в мировой практике сооружения воздушных линий, что объясняется их относительно невысокой стоимостью и хороши­ми механическими и электропроводящими качествами. Соотно­шение площадей поперечного сечения алюминиевой и стальной частей в проводах разных марок лежит в пределах 4,5—8,5.

Полые провода (рис. 1-7, г) применяются в основном в рас­пределительных устройствах подстанций и реже—на линиях с номинальным напряжением 220 кв и выше. Такая конструк­ция проводов при определенной площади поперечного сечения токоведущеи части резко повышает напряжение появления коронирующего разряда на проводах, благодаря чему значи­тельно снижаются потери электроэнергии на корону; обеспечи­вает хорошее использование металла провода, так как ' при высоких напряжениях, вследствие интенсивного проявления поверхностного эффекта, из внутренних слоев провода вытес­няется ток.

Маркировка

Все провода для воздушных линий имеют поперечные сече­ния, соответствующие установленной ГОСТами шкале номи­нальных значений от 4 до 700 мм² *. Действительные попереч­ные сечения отдельных, в первую очередь, многопроволочных.(исключение составляют однопроволочные стальные провода, которые маркируются по диаметру от 3,5 до 6 мм) проводов могут на несколько процентов отличаться от номи­нальной величины. Маркировка проводов производится по материалу провода и номинальной площади поперечного сечения.

Медные провода обозначаются буквой М, бронзовые — Б, алюминиевые — А, сталеалюминевые — АС, стальные однопроволочные — ПСО, стальные многопроволочные — ПС и ПМС, полые провода мед­ные— ПМ и алюминиевые — ПА.

После буквенных обозначений материала и конструкции провода указывается номинальное поперечное сечение токоведущей части (мм²). Например, М-50, АС-120 и т. д.В отечественной практике сталеалюминевые провода изго­товляются трех типов: АСУ — усиленной прочности с отноше­нием площади поперечного сечения алюминиевой части к сталь­ной 4,0—5; АС — с соотношением указанных площадей 7—7,5; АСО — облегченные, с соотношением площадей 8—8,5. В райо­нах с относительно малой интенсивностью гололедных образо­ваний (толщина стенки до 10—15 мм при объемном весе 0,9 Г/см³) преимущественное применение должны иметь прово­да серии АСО.

Многопроволочные стальные провода, маркируемые ПМС, изготовляются из стали с присадкой меди (доли процента) для понижения магнитной проницаемости стали и повышения ее антикоррозийной стойкости.

Все провода имеют маркировку:

• медные М, например М-35;

• алюминиевые А, например А-70;

• стальные С, например С-25;

• сталеалюминиевые АС, например АС-300/66.

У сталеалюминиевых проводов через дробь указываются сечения алюминиевой и стальной частей. Полые провода марок ПА (из алюминия) и ПМ (из меди) ис­пользуют в основном для ошиновки (прокладки шин) на открытых подстанциях и переключательных пунктах.

По условиям механической прочности на ВЛ следует приме­нять провода сечением не менее 16 мм² (алюминиевые) и 10 мм² (сталеалюминиевые).

В настоящее время для прокладки ВЛ напряжением до 1 кВ используется провод с изоляцией из сшитого светостабилизированного полиэтилена марок СИП-1, СИП-2 и СИП-3. По срав­нению с неизолированными проводами марок А и АС они обла­дают большей надежностью и безопасностью электроснабжения.

Дата добавления: 2014-01-07