ВЫБОР ИЗОЛЯЦИИ ЛИНИЙ ПО НОРМАТИВНЫМ ДОКУМЕНТАМ
При выборе изоляции в первую очередь необходимо обеспечить безопасность людей, животных и механизмов, передвигающихся под линиями и вблизи оборудования подстанций, обеспечить оптимальную с экономической точки зрения надежность работы изоляции с учетом требований по допустимым условиям радиопомех и напряженности электрического поля вблизи земли. Практика проектирования ВЛ показала, что с экономической точки зрения целесообразно выбирать изоляцию из условия её надёжной и безопасной работы при рабочем напряжении. Если при расчете по коммутационным и грозовым перенапряжениям длины воздушных промежутков или гирлянд изоляторов получаются больше рассчитанных из условий надежной работы по рабочему напряжению, то необходимо при проектировании электропередачи предусматривать мероприятия, снижающие перенапряжения до уровня, при котором обеспечивается надежная работа изоляции при коммутационных и грозовых перенапряжениях.
Существуют два пути выбора изоляции. Первый предназначается для обычных линий электропередачи и подстанций, содержится в ПУЭ, сформулированный в результате обобщения многолетнего опыта эксплуатации и специально организованных научно-исследовательских работ. Второй метод применяется для нестандартных ЛЭП и для ВЛ, трассы которых проходят в специфических климатических условиях загрязнения, и основываясь на статическом или комбинированном методе выбора изоляции.
При расчете ВЛ вначале на основании технико-экономических расчетов производят выбор конструкции опоры, длины пролетов, сечения проводов и их механический расчет по нормативным нагрузкам, определяемым по климатическим условиям, характерным для территории прохождения трассы ВЛ.
Нагрузки зависят от скорости ветра, конструкции фазы, толщины гололедно-изморозевых отложений и других факторов. В зависимости от района скоростной напор ветра g может изменятся от 550 до 1250 Н/м2, значение его приведено в ПУЭ. Максимальные нормативные скоростные напоры ветра и толщина гололёдно-изморозевых отложений определены из повторяемости 1 раз в 10 лет для ВЛ 6 — 330 кВ, 1 раз в 15 лет для ВЛ 500 кВ.
Расчет изоляции ВЛ начинают с выбора длины гирлянды изоляторов по рабочему напряжению, выбор числа и типа изолятора должен производиться в зависимости от степени загрязненности атмосферы, которая имеет семь градаций. В районах с природным загрязнением основным нормативным документом является карта уровней изоляции, составленная на основе анализа опыта эксплуатации и специально проведенных испытаний. При отсутствии таких карт степень загрязненности атмосферы определяется в районах с природными загрязнениями по характеристикам почвы и ее покрытия.
Вблизи промышленных предприятий степень загрязненности атмосферы зависит от обьема выпускаемой продукции и физико-химического состава выбросов производства, а также расстояния от источника или источников загрязнения. При наличии нескольких источников загрязнения, расположенных на расстоянии менее 1000 м, например цехов, необходимо суммировать расчетные обьемы продукции отдельных цехов.
Степень загрязненности атмосферы вблизи морей и солевых озер изменяется от 2-ой до 5-ой в зависимости от солености воды и расстояния от береговой линии. Вблизи градирен степень загрязненности атмосферы при удельной проводимости циркулирующей воды до 1000мкСм и более увеличивается на одну или две степени соответственно.
В зависимости от степени загрязненности атмосферы нормируется удельная эффективная длина пути утечки (отношение эффективной длины пути утечки гирлянды или колонки изоляторов, при которой обеспечивается их надежная работа, к наибольшему линейному, длительно допускаемому рабочему напряжению).
Значения нормированной удельной эффективной длины пути утечки поддерживающих гирлянд ВЛ 6 — 750кВ и штыревых изоляторов на металлических и железобетонных опорах приведены в табл.17.1.
Таблица 17.1
Нормированная удельная эффективная длина пути утечки поддерживающих гирлянд ВЛ 6 — 750кВ.
| Степень загрязненности атмосферы. | Удельная эффективная длина пути утечки lу.э., см/кВ не менее для | |||
| сети с изолированной нейтралью при Uном., кВ | сети с эффективно заземленной нейтралью при Uном., кВ | |||
| 6-20 | 100-200 | 330-750 | ||
| 2.20 | 1.90 | 1.40 | 1.40 | |
| 2.20 | 1.90 | 1.60 | 1.50 | |
| 2.20 | 2.20 | 1.90 | 1.80 | |
| 2.60 | 2.60 | 2.25 | 2.25 | |
| 3.00 | 3.00 | 2.60 | 2.60 | |
| 3.50 | 3.50 | 3.10 | 3.10 | |
| 4.20 | 4.20 | 3.70 | 3.70 |
Увеличение удельной эффективной длины пути утечки для изоляторов ВЛ 6 — 35кВ с изолированной нейтралью объясняется тем, что в этих сетях при замыкании на землю одной фазы линия не отключается; при этом на двух здоровых фазах в течение времени, необходимого для отыскания и устранения к.з., существует напряжение, равное линейному.
Количество изоляторов в гирлянде рассчитывают по формуле :
| (17.1) |
где lу э - удельная эффективная длина пути утечки согласно табл. 1.1;
Uраб.наиб - наибольшее рабочее напряжение согласно ГОСТ 1516.1 — 76;
К и Кк - коэффициенты эффективности использования длины пути утечки одиночного изолятора и составной конструкции;
Lу.и. - длина пути утечки изолятора, см.
Поскольку с уменьшением давления воздуха влагоразрядные напряжения загрязненных снижаются, при выборе изоляции ВЛ 100 ¸750 кВ, проходящих на высотах от 1 до 2, от 2 до 3 и от 3 до 4 км, удельная эффективная длина пути утечки должна быть увеличена на 5, 10, и15 % соответственно. В районах обитания крупных птиц на траверсах следует устанавливать специальные заградители, препятствующие посадке птиц. Коэффициенты эффективности зависят от характера загрязнений и метеорологических условий и могут быть определены специально проведенными испытаниями. При отсутствии таких данных коэффициент эффективности использования длины пути утечки приближенно определяется по соотношению Lу/dx, где Lу - длина пути утечки изолятора; dx - диаметр тарелки изолятора, его значения приведены ниже :
Таблица 17.1 –Зависимость коэффициента эффективности использования длины пути утечки от соотношения Lу/dx.
| Lу/dx | 0.9 — 1.05 | 1.06 — 1.1 | 1.1 — 1.2 | 1.21 — 1.30 | 1.31 — 1.40 |
| Кэ | 1.05 | 1.1 | 1.15 | 1.2 |
При определенном номинальном напряжении ВЛ в зависимости от типа применяемых изоляторов и специальной арматуры длина гирлянды изоляторов в ней изменяется в следующих пределах :
Таблица 17.2
| Uном, кВ | ||||
| Длина гирлянды, Lг, м | 1.4 — 1.7 | 2.3 — 2.5 | 2.9 — 3.5 | 4.3 — 4.5 |
| Число изоляторов в гирлянде n, шт | 6 — 8 | 10 — 14 | 15 — 21 | 21 — 29 |
По расчетной длине гирлянды и выбирают конструкции опоры для рабочего напряжения, коммутационных и грозовых перенапряжений и соответствующих им нормативных метеорологических условий определяют расстояние от провода до стойки опоры или оттяжки при отсутствии ветра как сумму расстояний, на которое может отклонится провод при нормативных метеорологических условиях, и наименьшего допустимого расстояния по воздуху от провода до опоры при соответствующем виде воздействующего напряжения.
Наименьшие изоляционные расстояния от провода до заземленной опоры приведены в табл. 17.3. Изоляционные расстояния выбраны по опыту эксплуатации по разрядным характеристикам с определенным запасом, которой обеспечивает малую вероятность пробоя совокупности многих элементов при рабочем напряжении, коммутационных и грозовых перенапряжениях, а также безопасность подъема обслуживающего персонала на опору линии электропередачи, находящейся под напряжением.
При проектировании ВЛ выбирается наибольшее из расчетных расстояний от провода до опоры при отсутствии ветра. Для ВЛ 6¸500кВ, как правило, расстояние от провода до опоры определяется требованиями безопасности при подъеме на опору.
Таблица 17.3 – Наименьшие изоляционные расстояния по воздуху от токоведущих до заземленных частей ВЛ.
| Расчетные условия | Наименьшее расстояние, см, при напряжении ВЛ, кВ | ||||||
| до10 | |||||||
| По грозовым перенапряжениям: для штыревых изоляторов для подвесных изоляторов | — | — | — | — | |||
| По внутренним перенапряжениям | |||||||
| По рабочему напряжению | — | ||||||
| По условию безопасности подъема на опору | — | — |
При расчете отклонения гирлянды применяют следующие сочетания климатических условий:
1. при рабочем напряжении принимается максимальный нормативный скоростной напор ветра (gmax) при t= — 5°С;
2. при грозовых и внутренних перенапряжениях t=15°C, скоростной напор ветра g=0.1gmax, но не менее g=62.5Н/м2;
3. по условию безопасности подъема на опору t= — 15°C, ветер и гололед отсутствуют, так как при сильном ветре, гололеде, грозе запрещен подъем на опору.
Угол отклонения проводов и тросов на опоре определяется по формуле:
| (17.2) |
где g — нормативный скоростной напор ветра, Н/м2; С — коэффициент лобового сопротивления, принимаемый равным 1.2 для проводов, покрытых гололедом , и 1.1 — при отсутствии гололеда; А — площадь диаметрального сечения провода при гололеде с учетом нормативной толщины стенки гололеда, м2; j — угол между направлением ветра и осью ВЛ, Gпр — нагрузка на гирлянду от веса провода, G — вес гирлянды; k — коэффициент, учитывающий неравномерность скорости напора ветра по пролету ВЛ и динамику отклонения провода, принимаемый равным:
Таблица 17.4
| k | 0.73 | 0.61 | 0.55 | |
| g, Н/м2 |
Нормативная толщина стенки гололеда для высоты 10 м над поверхностью земли изменяется в зависимости от района по гололеду от 5 до 20 мм включительно. Для районов с особо сильным гололедообразованием для оценки толщины стенки гололеда проводят специальные исследования.
При выборе расстояния между проводами или проводом и тросом учитывается возможность возникновения автоколебательного процесса на одной из собственных частот провода в пролете с большой амплитудой так называемой пляски проводов. Пляска проводов возникает при поперечном ветре со скоростью Uв=8 — 16 м/с и особом профиле сечения проводов, образующемся в результате гололедообразования. Минимальное расстояние S по условию сближения между проводами ВЛ с горизонтальным расположением и свободной подвеской проводов определяется по формуле
| 17.3 |
при креплении проводов на штыревых изоляторах — по формуле
| 17.4 |
где Uном — номинальное напряжение ВЛ, кВ; U0 — напряжение, равное 110 кВ;
fп — наибольшая стрела провеса, соответствующая габаритному пролету, м; b — толщина стенки гололеда, м, не более 002 м.
12. ОСОБЕННОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ЛИНИИ НА ДЕРЕВЯННЫХ ОПОРАХ.
В лесных районах в частности в Сибири, линии до 220 кВ включительно целесообразно строить на деревянных опорах, которые на 30 - 40% дешевле металлических и железобетонных. Для предотвращения загнивания стойки, траверсы и подножники опор подвергаются пропитке креозотом. Срок службы опоры с хорошо пропитанной древесиной достигают 20 - 40 лет. Деревянные опоры обычно выполняются П - образного типа., а на напряжение 35 кВ и ниже - одностоечными.
Как показали исследования дерево является диэлектриком, изоляционные свойства которого сильно зависят от его состояния ( влажности и неравномерности ее распределения, наличия загнивания и трещин, режима увлажнения поверхности и т.д, ). Следствием этой зависимости является значительный разброс результатов измерений, выполненных на различных образцах. Минимальные разрядные напряжения древесины наблюдаются при увлажнении ее дождем. Средний разрядный градиент по дереву при воздействии полной импульсной волны оценивается для сухой древесины примерно в 600 кВ/м, для мокрой - 300 кВ/м, Эти значения относятся к отрезкам траверс длинной до 2-3 м, для стоек опор длиной 10-12 м средний разрядный градиент снижается до 180 кВ/м. При действии напряжения промышленной частоты в течении 1 сек. Величина мокроразрядного градиента может быть принята равной 110 кВмакс. Длительное воздействие значительного рабочего напряжения приводит к обугливанию и даже возгоранию древесины, и следовательно, такое воздействие недопустимо.
Распpeделение напряжения по комбинированной изоляции, образуемой гирляндой изоляторов и деревом, происходит согласно схеме на рис.(12.1) в которой гирлянда и траверса замещены эквивалентными сопротивлениями и емкостями. Поскольку емкости изоляторов и дерева невелики (соответственно ~ 100 пФ/шт и 4 пФ/м), а активное сопротивление под дождем относительно мало (соответственно 1-10 МОм/шт и 0.2-1 МОм/шт), емкости схемы оказывают сильное влияние на распределение напряжения по комбинированной изоляции лишь при воздействии импульсных волн, при воздействии же коммутационных волн и особенно рабочего напряжения распределяется в основном акгивными сопротивлениями.
| Неравномерное распределение напряжения между деревом и фарфором обусловленное соотношениями параметров схемы ( рис.12.1), приводит к каскадному характеру перекрытия комбинированной изоляции, причем первой перекрывается гирлянда. Вследствие каскадности перекрытия добавочная прочность, создаваемая древесиной в комбинированной изоляции, оказывается меньше электрической прочности самой древесины. |
| Импульсную прочность комбинированной изоляции фарфор - дерево рекомендуется оценивать на основе графического построения., предоставленного на рис.(12.2), где через Uíã и Uíø обозначены импульсные 50%- ные разрядные напряжения гирлянды подвесных изоляторов и штыревого изолятора. |
В тех случаях, когда импульсное разрядное напряжение в основном определяется прочностью фарфоровой изоляции, добавляемое деревом минимальное импульсное; напряжение принимается равным 100 кВ/м для штыревых изоляторов и 70 кВ/м - для гирлянд подвесных изоляторов, обладающих по сравнению со штыревыми изоляторами меньшей продольной емкостью. При больших длинах дерева импульсная прочность комбинированной изоляции определяется древесиной, исходя из градиента 300 кВ/м.
Прочность комбинированной изоляции под дождем при воздействии коммутационных импульсов оценивается по формуле ( предложенной В.С. Рашкесом):
| Umð.k = aкUм.р., | (12.1) |
где - Um.p. - мокроразрядное напряжение гирлянды,
aк - коэффициент импульса, определяемый по формуле :
кt = 1+ 0.5 ( Ucp/Uì.p.- l ), причем Ucp ³ Uм.р
a- коэффициент, учитывающий влияние дерева.
Для линий 35-110 кВ его можно принять равным 1.2 - 1.25. Практически расчеты длин гирлянд на деревянных опорах по условиям воздействия коммутационных и атмосферных перенапряжений показали, что при сохранении изоляционной прочности, установленной, для металлических опор, число изоляторов в гирляндах на деревянных опорах может быть уменьшено на один ( в некоторых случаях даже на два ) , по сравнению с нормативами. Этот вывод согласуется с успешной эксплуатационной практикой в сетях 35- 220 кВ. Деревянная траверса увеличивает мокроразрядное напряжение линейной изоляции на 15 - 20 %. Этого вполне достаточно, чтобы сократить количество изоляторов на один элемент.
Вследствие загрязнения гирлянд и увеличения токов утечки возникает опасность возгорания опор. 0пым показывает, что в некоторых случаях возгорание опор под действием больших токов утечки может составлять 10- 15% общего числа аварий, происходящих с деревянными опорами.
При грозовых перенапряжениях характер приложенного напряжения изменяется : на первый план выступает соотношение емкости гирлянд и траверсы. В этом случае траверса воспринимает значительно большую долю напряжения и импульсная прочность линейной изоляции существенно повышается. Для ориентировочных расчетов дополнительную импульсную прочность, создаваемую деревянной траверсой, принимают равной 100 кВ на 1 м пути разряда по этой траверсе. Например 50% - ное импульсное разрядное напряжение изоляции на опоре лилии 110 кВ будет составлять :
U50%= Ur50% + 100Lт = 500 + 100*2 = 700 кВ,
здесь U50% = 500кВ - 50%- ное импульсное разрядное напряжение гирлянды из шести изоляторов типа ПФ6 - А.
Lt = 2м- дилина участка траверсы на опорах линий 110 кВ.
Сравнение показывает что 50% - ное импульсное напряжение изоляции на деревянных опорах выше, чем на металлических или железобетонных. В рассматриваемом примере эта разница составляет около 130 кВ (50%- ное импульсное разрядное напряжение гирлянд из сети изоляторов ÏÔ6 - А. применяются на линиях 110 кВ с металлическими опорами, равно 570 кВ ). В связи с этим линии на деревянных опорах обладают лучшими грозозащитными характеристиками, чем линии на металлических и железобетонных опорах.