Основные характеристики и элементы воздушных линий электропередачи (ВЛ)

В «Правилах устройства электроустановок» (ПУЭ) говорится, что «воздушная линия - 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».

На рис. 13.1 показан участок одноцепной воздушной линии между анкерными опорами с элементами ВЛ, а на рис. 13.2 - конструктивные элементы.

Рис. 13.1. Эскиз анкерного пролета ВЛ: 1 - поддерживающая гирлянда; 2 - натяжная гирлянда; 3 - промежуточная опора; 4 - анкерная опора

Рис. 13.2. Конструктивные элементы ВЛ:

1 - провода фаз линии (А, В, С); 2 - защитные тросы (Tl, Т2); 3 - опора; 4 - гирлянда изоляторов; 5 - элементы армату ры; 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 надежного поддержания проводов и тросов на определенной высоте над поверхностью земли как при нормальной эксплуатации линии, так и в различных аварийных ситуациях. Спектр конструкций опор из различных материалов достаточно разнообразен. 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.

Крайние опоры (на рис. 13.1) называются анкерными, а расстояние L_a между ними по трассе - анкерным пролетом. 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 жестко закрепляются на натяжных гирляндах изоляторов, а на промежуточных опорах - 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. На рис. 13.1 стрела провеса провода обозначена f_n, а троса Расстояние от низшей точки провода до земли, воды или пересекаемых объектов И^ называется габаритом линии. Оно определяется в ПУЭ в зависимости от ?/_ном, характера местности и типа пересекаемого линией сооружения и для ВЛ с U_hom < 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 гололедоизморозевых отложений на проводах, тросах и опорах;
• - давление ветра на провода, тросы и опоры;
• - 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 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 пять районов, различающихся возможной максимальной толщиной стенки гололеда.

Карты районирования страны по гололедным условиям приводятся в ПУЭ. Данные табл. 13.3 характеризуют принцип такого районирования.

Районирование по толщине стенки гололеда

Таблица 13.3

* Для ВЛ до 3 кВ.

** Для ВЛ 6-330 кВ.

*** Для ВЛ 500 кВ.

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. В табл. 13.4 приведены характеристики указанных семи районов.

Из таблицы видно, что максимальная расчетная скорость ветра равна 45 м/с (VII район), что соответствует давлению 1 250 Па (1 Па = 0,102 кге/ м²). Отложения гололеда 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 гололеду и к I—II районам по ветру, территория Московской области - ко II району по гололеду и к I району по ветру.

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 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 пляска проводов и тросов. Обычно это явление наблюдается в период, когда провода и тросы покрыты гололедом. Эти колебания характеризуются частотой в единицах 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.

Районирование по скоростным напорам ветра

Таблица 13.4

* Для ВЛ до 3 кВ.

** Для ВЛ 6-330 кВ.

*** Для ВЛ 500 кВ.

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 происходит таяние и сброс ледяной корки.