Общая характеристика воздушной линии и условий ее работы
В «Правилах устройства электроустановок» (ПУЭ) содержится еще одно определение воздушной линии, несколько отличающееся от приведенного в разделе 9.1 в соответствии с ГОСТ. Оно гласит, 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». Здесь перечислены почти все основные элементы ВЛ (опоры, провода, изоляторы, арматура), за исключением грозозащитных тросов и фундаментов. Наглядное представление о составе конструктивных элементов ВЛ дает рис. 9.1.
Естественно, главными элементами являются провода фаз линии А, В, С, непосредственно осуществляющие передачу электроэнергии. Их разновидности и конструкции описаны в разделе 9.3. 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 (см. раздел 9.4). Изоляторы должны обеспечить необходимый промежуток между находящимся под напряжением проводом и заземленным телом опоры (см. раздел 9.5). Линейная арматура — это комплекс устройств, с помощью которых провода соединяются, закрепляются на изоляторах, а изоляторы — на опорах (см. раздел 9.6). Наконец, фундаменты служат для обеспечения устойчивого положения опор в пространстве.
На рис. 9.2 показан участок одноцепной воздушной линии между опорами, которые по виду отличаются от показанной на рис. 9.1. Эти опоры называются анкерными, а расстояние La 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 — на поддерживающих гирляндах, имеющих длину λг. 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. 9.2 стрела провеса провода обозначена ƒп, а троса — ƒт. Расстояние от низшей точки провода до земли, воды или пересекаемых объектов hг называется габаритом линии. Оно определяется в ПУЭ в зависимости от Uном, характера местности и типа пересекаемого линией сооружения и для ВЛ с Uном < 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. 9.3 характеризуют принцип такого районирования.
Таблица 9.3 Районирование по толщине стенки гололеда
| Район по гололеду | Нормативная толщина стенки гололеда, мм, для высоты 10м над поверхностью земли с повторяемостью | ||
| 1 раз в 5 лет* | 1 раз в 10 лет** | 1 раз в 15 лет*** | |
| I | На основании данных наблюдений, но не менее 10 мм | ||
| II | |||
| III | |||
| IV | |||
| Особый | 20 и более | Более 22 |
* 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 ПУЭ. 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. 9.4 приведены характеристики указанных семи районов.
Из табл. 9.4 видно, что максимальная расчетная скорость ветра равна 45 м/с (VII район), что соответствует давлению 1250 Па (1 Па = 0,102 кгс/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.
Таблица 9.4 Районирование по скоростным напорам ветра
| Район по ветру | Нормативный напор, Па, на высоте до 15 м от земли (скорость ветра, м/с) с повторяемостью | ||
| 1 раз в 5 лет* | 1 раз в 10 лет** | 1 раз в 15 лет*** | |
| I | 270 (21) | 400 (25) | 550 (30) |
| II | 350 (24) | 400 (25) | 550 (30) |
| III | 450 (27) | 500 (29) | 550 (30) |
| IV | 550 (30) | 650 (32) | 800 (36) |
| V | 700 (33) | 800 (36) | 800 (36) |
| VI | 850 (37) | 1000 (40) | 1000 (40) |
| VII | 1000 (40) | 1250 (45) | 1250 (45) |
* Для ВЛ до 3 кВ.
** Для ВЛ 6—330 кВ.
*** Для ВЛ 500 кВ.
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 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 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 гололеда, осуществляемая с помощью специального оборудования, обеспечивающего прохождение по линии больших токов и такой нагрев проводов, при котором происходят таяние и сброс ледяной корки.