Воздушные линии электропередачи

Воздушная линия электропередачи (ВЛ) – устройство, предназначенное для передачи или распределения электрической энергии по проводам с защитной изолирующей оболочкой (ВЛЗ) или неизолированным проводам (ВЛ), находящимся на открытом воздухе и прикрепленным с помощью траверс (кронштейнов), изоляторов и линейной арматуры к опорам или другим инженерным сооружениям (мостам, путепроводам).

Воздушные линии электропередачи (ЛЭП, ВЛ, ВЛЗ) при проектировании, строительстве, техническом перевооружении и эксплуатации должны удовлетворять требования надежности, экономичности и экологичности в течение всего срока службы. Конструктивные решения и материалы элементов воздушных линий электропередач (ВЛ) должны обеспечить сохранность расчетных параметров, характеризующих надёжность и способствовать снижению потерь электроэнергии при ее передаче. При проектировании необходимо стремится к сокращению площади отвода земель под ВЛ в постоянное пользование, применение стальных многогранных, узкобазых решетчатых, железобетонных секционированных или композитных опор ВЛ, создание компактных ВЛ и ориентироваться на использование передовых, безопасных методов строительства, эксплуатации и ремонта.

Проектирование конструктивной части ВЛ осуществляется в соответствии с действующими нормами с применением, как правило, унифицированных опор и фундаментов, стандартных марок проводов, тросов, линейной арматуры и изоляторов.

В процессе проектирования ЛЭП производят следующие расчеты:

• Технико-экономический расчет должен обеспечить такой подбор значений напряжения U_ном, сечения проводов и токоведущих жил силовых кабелей при котором проектируемая сеть была бы наиболее экономичной.
• Расчет на нагревание проводов и кабелей. Определяется значение тока, допустимого для данного сечения провода или токоведущих жил силовых кабелей при заданных условиях охлаждения или наоборот.
• Расчет на потерю напряжения в линиях сети. В процессе расчета определяют значение напряжения U у потребителей и в случае его недопустимых отклонений разрабатывают способы регулирования напряжения.
• Расчет на механическую прочность позволяет выбрать рациональную конструкцию и оптимальный размер проводов, тросов, опор, изоляторов и других конструктивных элементов ВЛ.
• Дополнительные расчеты состоят в выявлении теплового действия токов короткого замыкания (К.З.) на провода и кабели выбранных сечений, в установлении надежности работы в послеаварийных режимах и т.п.

Для оценки технического состояния ЛЭП без вывода из эксплуатации необходимо использовать технологии мониторинга и диагностики с использованием методов неразрушающего контроля, мониторинг текущего состояния элементов ВЛ.

1. Опоры воздушных линий электропередачи

Основными этапами проектирования воздушной линии являются следующие:

• расстановка опор по выбранной трассе линии;
• выбор основных типов и марок унифицированных опор и их фундаментов;
• расчет проводов и грозозащитных тросов при их работе в нормальных режимах и обрывах в пролетах;
• расчет проводов и тросов для условий их монтажа и составление необходимой для этих режимов документации;
• расчеты габаритов линий при пересечении ими технических сооружений;
• проверочные расчеты отдельных опор и фундаментов, если это оказывается необходимым по условиям расстановки опор по трассе.

Помимо перечисленных этапов, непосредственно связанных с конструктивной частью ВЛ, при проектировании выполняют разработку основных положений подготовки трассы к строительству, организации эксплуатации линии, обеспечения её средствами связи и др.

Основное назначение опор ВЛ – поддержка проводов на требуемой высоте над землей и наземными сооружениями. Опоры состоят из вертикальных стоек, траверс и фундаментов. Основными материалами, из которых изготавливаются опоры, являются древесина хвойных пород, железобетон, металл и современные композиционные материалы.

Опоры из древесины простые в изготовлении, транспортировке и эксплуатации, применяются для ВЛ напряжением до 220 кВ включительно в районах лесоразработок или близких к ним. Основной недостаток таких опор — подверженность древесины загниванию. Для увеличения срока службы опор древесину просушивают и пропитывают антисептиками, препятствующими развитию процесса гниения.

Анкерные опоры из древесины выполняются А-образными при напряжениях до 10 кВ и АП-образными при более высоких напряжениях. Общий вид П-образной деревянной опоры показан на рис. 1. Железобетонные анкерные опоры имеют специальные тросовые растяжки. Металлические анкерные опоры имеют более широкую базу (нижнюю часть), чем промежуточные опоры.

Рис. 1. Общий вид П-образной деревянной опоры: 1 – пасынки (ж/б); 2 – бандаж из отожженной проволоки; 3 – стойка; 1+2+3 – нога; 4 – гирлянда изоляторов; 5 – провода; 6 – грозозащитный трос; 7 – арматура; 8 – раскосы; 9 – траверса; 10 – ригели для устойчивости опоры

Концевые, угловые и переходные опоры ВЛ должны быть достаточно жесткими и не должны отклоняться от вертикального положения при воздействии на них силы тяжения проводов и тросов более чем на 1%. Такие опоры выполняются в виде жестких пространственных ферм или с применением специальных тросовых растяжек и называются анкерными опорами. Провода с анкерными опорами имеют жесткое соединение, так как крепятся с помощью натяжных гирлянд изоляторов.

Опоры ВЛ из композитных материалов применяются для сооружения электрических сетей различных классов напряжения. Легкие (вес в три раза меньший аналогичной металлической конструкции), компактные и быстромонтируемые комплекты опор ВЛ позволяют ускорить процесс восстановления электроснабжения при аварийном разрушении опор, особенно в труднодоступной местности. По прочности опоры из композита сопоставимы со стальными, а по изоляционным свойствам практически аналогичны деревянным. Упругие и долговечные, экологически чистые, стойки композитных опор выдерживают большие ветровые и гололедные нагрузки. Однако отклонение верха опоры не должно приводить к нарушению установленных ПУЭ наименьших изоляционных расстояний от токоведущих частей (проводов) до заземленных элементов опоры и до поверхности земли и пересекаемых инженерных сооружений. При минимальном обслуживании срок службы стоек композитных опор составляет по прогнозам около 70 лет, что компенсирует их высокую стоимость. В настоящее время опоры из композита находятся на стадии внедрения и испытания при сооружении новых линий и реконструкции существующих. Некоторые из вариантов выполнения опор из композита показан на рис. 2.

Рис. 2. Опоры ВЛ из композита: а – двухцепной ВЛ; б – одноцепной ВЛ

Железобетонные опоры состоят из железобетонной стойки и траверс. Стойка представляет собой пустотелую конусную трубу с малым наклоном образующих конуса. Нижняя часть стойки заглубляется в грунте. Траверсы изготавливаются из стального оцинкованного проката. Эти опоры долговечнее опор из древесины, просты в обслуживании, требуют меньше металла, чем стальные опоры.

Основные недостатки опор из железобетона, это большой вес, затрудняющий транспортировку опор в труднодоступные места трассы ВЛ, и относительно малая прочность бетона на изгиб. Для увеличения прочности опор на изгиб при изготовлении железобетонной стойки используется предварительно напряженная (растянутая) стальная арматура.

Для обеспечения высокой плотности бетона при изготовлении стоек опор применяют виброуплотнение и центрифугирование бетона. Стойки опор воздушных линий напряжением до 35 кВ выполняют из вибробетона, при более высоких напряжениях — из центрифугированного бетона. Железобетонные опоры – конические и цилиндрические стойки и траверсы опор изготавливаются из центрифугированного бетона марки 400 – 600. Для предварительно напряженной продольной арматуры применяется горячая катаная сталь в виде стержней. Продольная арматура выполняется из плоских пучков канатов с предварительным напряжением. Для поперечной спиральной арматуры стоек применяется низкоуглеродистая холоднотянутая проволока.

Стальные опоры обладают высокой механической прочностью и большим сроком службы, но являются сравнительно дорогими. Эти опоры с помощью сварки и болтовых соединений собираются из отдельных элементов, поэтому имеется возможность создания опор практически любой конструкции. В отличие от опор из древесины и железобетона металлические опоры устанавливаются на железобетонных фундаментах. Для увеличения срока службы опор их покрывают антикоррозийными составами и окрашивают. Очень эффективной против коррозии является горячая оцинковка стальных опор.

Основные конструкционные элементы стальных опор ВЛ изготавливаются из стали марки ВМ. Наиболее нагруженные части опор могут изготавливаться из низколегированных сталей. Отливы для некоторых узлов опор производятся из ковкого чугуна. Для растяжек опор применяются стальные оцинкованные канаты марки ТК (от 18 до 37 жил). Части секции опор подвергаются заводской горячей оцинковке для защиты от коррозии и сбор секции на месте производиться посредством болтовых соединений.

Опоры из алюминиевых сплавов эффективны при сооружении ВЛ в условиях труднодоступных трасс. Вследствие стойкости алюминия к коррозии, эти опоры не нуждаются в антикоррозийном покрытии. Однако высокая стоимость алюминия существенно ограничивает возможности использования таких опор. Опоры из сплава алюминия – применяются в основном термически неупроченные сплавы, содержащие 0,5% марганца и 7% магния с пределом прочности 320 МПа.

На сооружаемых ВЛ должны применяться унифицированные и типовые опоры для данных климатических условий территории страны, в зависимости от населенной или ненаселенной местности. Стальные опоры в зависимости от свойства грунтов могут устанавливаться на специальные подставки. Конструкции унифицированных и типовых опор рассчитаны на нагрузки от ветрового давления не менее 500 Па. Анкерные опоры рассчитываются на угол поворота до 60о. Стальные анкерные угловые опоры применяются также в качестве концевых.

Промежуточные опоры до 20 кВ рассчитаны на крепление проводов вязкой отожженной проволокой на штыревые изоляторы. Крепление проводов к поддерживающим гирляндам изоляторов промежуточных опор ВЛ напряжением 35 кВ и выше выполняется в глухих зажимах. Металлические промежуточные опоры закрепляются на типовых сборных железобетонных фундаментах или сваях. Стойки железобетонных опор погружаются на 2 – 3,5 м в грунт, для устойчивости к концевой нижней части опоры обычно прикрепляют ригли. Оттяжки опор крепятся с железобетонными анкерными плитами, заглубленными в грунт на 3 – 5 м. Деревянные опоры, как правило имеют стойки и приставки (пасынки – железобетонные).

При прохождении по определенной территории ВЛ может менять направление, пересекать различные инженерные сооружения и естественные преграды, подключаться к шинам распределительных устройств подстанций. На рис. 3 показан вид сверху фрагмента трассы ВЛ.

Рис. 3. Фрагмент трассы ВЛ

Из этого рисунка видно, что разные опоры работают в разных условиях и, следовательно, должны иметь отличающуюся конструкцию в зависимости от их местоположения в линии:

• промежуточные опоры, гибкой или жесткой конструкции, предназначены для поддерживания проводов на прямом участке ВЛ. Провода с этими опорами не имеют жесткого соединения, так как крепятся с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов. На эти опоры действуют силы тяжести проводов, тросов, гирлянд изоляторов, гололеда, а также ветровые нагрузки;
• анкерные опоры в начале и конце линии, жесткой конструкции, полностью воспринимающих силу тяжения Т проводов и тросов в смежных с опорой пролетах, направленную вдоль линии. Анкерные опоры должны быть рассчитаны на разность тяжения проводов и тросов, возникающую вследствие неравенства значений приведенных пролетов по обе стороны опоры. Концевые опоры должны рассчитываться также на одностороннее тяжение всех проводов и тросов. Расстояние между анкерными опорами для ВЛ напряжением 35 кВ и выше должно быть не более 10 км, а в местности с особо сложными природными условиями не более 5 км. Для ВЛ напряжением 20 кВ и ниже с проводами, закрепленными на штыревых изоляторах, расстояние между анкерными опорами не должно превышать 1,5 км в районах по гололеду I – III и 1 км в районах по гололеду IV и более;
• угловые опоры, установленные в местах поворота трассы линии, испытывают дополнительное воздействие силы тяжения Т проводов и тросов, направленной по биссектрисе угла поворота ВЛ;
• переходные опоры, ограничивающие пролет пересечения, в нормальном режиме ВЛ выполняют роль промежуточных опор, должны быть анкерными концевыми. Эти опоры принимают на себя тяжение проводов и тросов при их обрыве в соседних пролетах и исключают недопустимое провисание проводов в пролете пересечения.

Все опоры ВЛ унифицированы. Унификация означает объединение опор ВЛ в единую систему конструкций, сокращение типоразмеров опор и устанавливает для каждой опоры область ее применения. В маркировке унифицированной опоры указываются:

• вид опоры (П – промежуточная, У – анкерно-угловая, С – специальная);
• материал опоры (Д – дерево, Б – железобетон, у стальных опор буква отсутствует);
• номинальное напряжение;
• номер опоры, характеризующий область ее применения и количество цепей на опоре (четная цифра соответствует двухцепной опоре, нечетная – одноцепной).

Например, опора ПБ110-4 – это промежуточная (П), железобетонная (Б) опора, на номинальное напряжение 110 кВ, двухцепная (4).

В технических характеристиках опоры указываются районы по гололеду и ветру, в которых может использоваться опора, диапазон сечений проводов и массогабаритные показатели опоры.

2. Провода и грозозащитные тросы ВЛ

Провода и грозозащитные тросы воздушных линий электропередачи должны удовлетворять нормативным документам. Как правило, при сооружении ВЛ должны применяться провода алюминиевые, сталеалюминевые или из сплава алюминия марки АВ-Е; применение медных проводов без специальных обоснований не допускается, а также не рекомендуется применение стальных проводов (исключение в переходах пересечения при обосновании механическими расчетами с учетом свойств материалов из табл. 1. При прохождении ВЛ в районах с повышенным содержанием сернистого газа, хлористых солей, по берегам морей, соленых озер, засоленных песков и т.п. необходимо применение проводов марок АКП, АСКС, АСКП, АСК, АНКП, АЖКП, АЖСКС.

Рис. 4. Конструкции неизолированных проводов для ВЛ

Таблица 1. Свойства материалов, используемых для изготовления проводов ВЛ

На ВЛ 220 кВ и выше, как правило, следует применять стандартные сталеалюминевые провода. В обоснованных случаях допускается применение современных конструкций проводов, позволяющих существенно увеличить пропускную способность без увеличения нагрузки на опоры, или превосходящие стандартные провода по техническим характеристикам:

• при новом строительстве — провода с сердечником из стальных и алюминиевых сплавов, композитных немагнитных материалов обладающие: повышенной пропускной способностью, с цилиндрической поверхностью из проволок трапецеидальной или z-образной формы с меньшими коэффициентами аэродинамического сопротивления, повышенной коррозионной стойкостью и повышенной стойкостью к гололедно-ветровым воздействиям, лучшей деформационной способностью, большей крутильной жесткостью;
• при реконструкции ВЛ с целью повышения пропускной способности при сохранении (или снижении) нагрузки на опоры, а также при строительстве больших переходов применять провода с длительно допустимыми температурами до 240ºС с токопроводящими повивами из термостойких и сверхтермостойких алюминиевых сплавов, с коррозионностойким сердечником, в том числе, изготовленном из стали, алюминиевых сплавов, или с композитным сердечником, с целью снижения нагрузки на опоры и фундаменты;
• при достаточном технико-экономическом обосновании – провода со встроенным оптическим кабелем (ОКФП).

Рекомендуется применение перечисленных ниже сталеалюминевых проводов, расчетные данные которых приведены в табл. 2, а варианты исполнения по механической прочности в табл. 3:

• АС 25/4,2; 35/6,2; 50/84 70/11; 95/16 во всех районах независимо от толщины стенки гололеда;
• АС 120/19, 150/24, 185/29, 240/32, 300/39, 330/43, 400/51, 450/56, и 500/64 при толщине стенки гололеда до 20 мм;
• АС 120/27, 150/34, 185/43, 240/56, 300/66, 400/93, 450/56 и 500/64 при толщине стенки гололеда более 20 мм;
• АС 185/128, 300/204, 500/336 в пролетах более 800 м.

Таблица 2. Расчетные данные проводов ВЛ напряжением 35 – 110 кВ при температуре 20 °С

Таблица 3. Варианты исполнения сталеалюминиевых проводов

На ВЛ напряжением 35 – 110 кВ, как правило, должны применяться стандартные сталеалюминевые провода. В районах с интенсивными ветровыми и гололёдными нагрузками, а также на больших переходах ВЛ 35 – 110 кВ рекомендуется применять новые конструкции проводов, превосходящие стандартные пропускной способностью и техническими характеристиками.

При наличии технико-экономического обоснования в соответствии с требованиями ПУЭ на больших переходах через водные и другие естественные преграды, при обосновании, в качестве проводов допускается применять стальные канаты из оцинкованных проволок. Срок службы проводов и грозозащитных тросов на ВЛ напряжением 35 – 110 кВ должен быть не менее 50 лет.

На магистралях ВЛ напряжением 6 – 20 кВ следует применять неизолированный провод типа АС или защищенный провод сечением не менее 70 мм². На отпайках от магистралей рекомендуется применение проводов типа АС или защищенных проводов сечением не менее 35 мм².

Самонесущие изолированные провода (СИП) применяются для воздушных распределительных сетей низкого и среднего напряжения взамен неизолированных алюминиевых и сталеалюминиевых проводов. Базовая конструкция провода на низкое напряжение – это пучок скрученных изолированных светостабилизированным сшитым ПЭ фазных проводников с несущим нулевым проводом и проводом меньшего сечения для уличного освещения. Несущий нулевой провод выполняется из алюминиевого сплава на базе Al-Mg-Si с разрывной прочностью на единицу сечения не менее 295 МПа (для сравнения — разрывная прочность алюминия около 165 МПа). Провод подвешивается на опорах ЛЭП. СИП на напряжения 10—20 кВ имеет токопроводящую жилу из алюминиевого сплава и изоляцию из светостабилизированного сшитого ПЭ.

Эксплуатационные преимущества изолированных самонесущих проводов по сравнению с неизолированными:

• повышенная надежность в эксплуатации за счет значительно меньшей вероятности короткого замыкания (проводники фаз изолированы);
• стойкость к атмосферным воздействиям (гололед, ветровые нагрузки);
• снижение индуктивного сопротивления в 3,5 раза, что позволяет сократить потери электроэнергии и увеличивает токи нагрузки;
• защита зеленых насаждений (не требуется вырубки деревьев и кустарников по трассе прокладки).

Решение проблемы снижения потерь электроэнергии при ее передаче достигается использованием защищённых проводов на ВЛ, как альтернативным вариантом канализации электроэнергии ВЛ с неизолированными проводами. На ВЛЗ напряжением 0,4; 6 – 10 и 20 кВ более 50 лет используются провода с защитной изоляцией. Однако современная практика проектирования и строительства ВЛЗ потребовала применения защищённых проводов также на ВЛЗ 35 и 110 кВ, соответствующих требованиям ГОСТ 31946-2012, ГОСТ 22483-77 и ГОСТ 18690-82, норм CENELEC EN 50397-1 и EN 50397-3.

Конструкция защищённого провода СИП-3 напряжением 6-35 кВ показана на рис. 5. Климатическое исполнение проводов СИП-3 напряжением 35 кВ и СИП-7 напряжением 110 кВ – В, категория размещения 1 по ГОСТ 15150-69.

Рис. 5. Конструкция защищённого провода СИП-3 напряжением 6 – 35 кВ (по ГОСТ 31946-2012): 1 – токопроводящая жила из проволок из алюминиевого сплава сечением 35-240 мм², герметизированная, при необходимости, посредством введения водоблокирующих элементов при скрутке; 2 – оболочка из устойчивого к климатическим воздействиям сшитого полиэтилена.

К настоящему времени провод СИП-7 на напряжение 110 кВ серийно не выпускается. Воздушные линии с СИП-7 напряжением 110 кВ, построенные в России и других странах, являются объектом изучения и мониторинга для накопления опыта их эксплуатации. Токопроводящая жила из проволок из алюминиевого сплава сечением от 50 до 240 мм², герметизированная посредством введения водоблокирующих элементов при скрутке и покрытых слоем электропроводящего полиэтилена. Далее следует слой изоляции из сшитого полиэтилена и оболочка из устойчивого к климатическим воздействиям полиэтилена. Провод с защитной изоляцией имеет оптимальное соотношение «масса-проводимость», обладает высокой механической прочностью и проводимостью. Провод практически полностью герметичен и защищён от воздействия окружающей среды.

Сдерживающим фактором применения провода СИП-7 остается опасное значение градиента напряжённости электрического поля на его поверхности. При контакте или случайном касании с заземлённым предметом или другой фазой создаётся электрический разряд, что приводит к пробою защитной оболочки и потере её изолирующих свойств. Поэтому для ВЛЗ 110 кВ необходимо пройти опытно-промышленный этап их эксплуатации, в результате которого должны появиться конкретные требования к конструкции СИП-7, арматуре для их подвески, которые позволят в будущем уточнить требования в стандартах на проектирование, строительство и эксплуатацию ВЛЗ 110 кВ.

Защищенные провода рекомендуется применять на ВЛ напряжением 6 – 35 кВ в первую очередь:

• при прохождении трассы ВЛ по населенной местности;
• при прохождении ВЛ по лесным массивам;
• при пересечении ВЛ водных преград;
• при отсутствии возможности соблюдения габаритных расстояний при прохождении ВЛ в стеснённых условиях;
• при совместной подвеске с ВЛ напряжением 0,4 кВ с самонесущим изолированным проводом(СИП).

При новом строительстве и реконструкции ВЛ 0,4 кВ должны применяться аттестованные самонесущие изолированные провода. Монтаж проводов линий электропередачи, выполненных СИП с изолированной нулевой жилой, может осуществляться, как на опорах, так и по стенам зданий и сооружениям, с учетом рекомендаций ПАО «Россети». ВЛ 0,4 кВ с распределенной нагрузкой по длине линии должны выполняться с использованием самонесущих изолированных проводов сечением не менее 70 мм². Для

подключения отдельных потребителей, в том числе ответвления от линии, может использоваться СИП меньшего сечения, но не менее 16 мм². Срок службы проводов СИП должен быть не менее 40 лет.

По условию отсутствия коронирования проводов допускаются минимальные диаметры проводов:

• 11,4мм при номинальном напряжении 110 кВ;
• 21,6мм при 220 кВ; 33,2 мм при 330 кВ.

В расщепленных фазах допустимо применение таких чисел и диаметров проводов:

• 2х21,6 мм или 3х17,1 мм при напряжении 330 кВ;
• 3х24,5 мм или 2х36,2 мм – 500 кВ.

При новом строительстве, реконструкции и ремонте ВЛ напряжением 35 кВ и выше в качестве грозозащитных тросов должны применяться:

• канаты и провода из стальных оцинкованных по группе ОЖ или плакированных алюминием проволок, тросы из низколегированной стали, обладающие высокой молниестойкостью, механической прочностью, коррозионной стойкостью;
• грозозащитные тросы со встроенным оптико-волоконным кабелем, в том числе с термостойким оптическим волокном.

Срок службы проводов и грозозащитных тросов на воздушных линиях электропередачи не менее 50 лет.

Воздушные линии электропередачи должны быть защищены по всей длине от грозовых перенапряжений и прямых попаданий молний грозозащитными тросами. Грозозащитные тросы применяются на ВЛ с металлическими и железобетонными опорами – при напряжении 35 кВ только на подходах к подстанциям, а при напряжении 110 кВ и выше по всей длине линии. Линии на деревянных опорах, как правило, не защищаются тросами, за исключением ВЛ напряжением 220 кВ.

Для защиты изоляции ВЛ напряжением 35 кВ и выше при прохождении в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов, на больших переходах, в особых гололёдных районах взамен или в дополнение к грозозащитному тросу допускается применение ограничители перенапряжений (ОПН). Применение на ВЛ 6 – 35 кВ средств ограничения перенапряжений должно обеспечивать защиту:

• проводов от перегрева и пережога;
• подходов к распределительным устройствам подстанции;
• изоляции ВЛ в районах с высокой грозовой активностью;
• коммутационного оборудования;
• кабельных муфт;
• мест пересечения ВЛ с инженерными сооружениями;
• столбовых и мачтовых подстанций, электрооборудования подстанций, распределительных и трансформаторных пунктов.

В качестве грозозащитных тросов обычно применяются стальные тросы ТК-9 на ВЛ напряжением 10 – 150 кВ и ТК-11 на ВЛ напряжением 220 – 500 кВ, а также сталеалюминевые провода марок 70/72 и 95/141 на ВЛ напряжением 750 кВ. Сталеалюминевые провода или провода из термообработанного алюминиевого сплава со стальным сердечником в качестве грозозащитного троса рекомендуется применять на особо ответственных переходах через инженерные сооружения, в районах с повышенным загрязнением атмосферы, а также на ВЛ с большими токами однофазного короткого замыкания по условиям термической стойкости и для уменьшения влияния ВЛ на линии связи.

При уточняющих расчетах стрел провеса проводов и тросов с учетом их вытяжки (остаточной деформации) при монтаже и в процессе эксплуатации помимо эквивалентного модуля упругости Е применяются также модули удлинения:

• модуль начального растяжения С (модуль неупругости), соответствующий первичной вытяжке провода при его монтаже и в начальный период эксплуатации;
• модуль предельного растяжения D (модуль релаксации).

3. Сведения о линейной арматуре и изоляции проводов

Рекомендованная нормативными документами к применению линейная арматура воздушных линий электропередачи, в зависимости от типа, делится на сцепную, поддерживающую, натяжную, соединительную и защитную.

Арматура ВЛ, рекомендованная к применению, как правило, не требует обслуживания, ремонта и замены в период всего расчетного срока службы ВЛ. По конструктивным параметрам в основном устанавливается спиральная и клиносочлененная арматура, а при соответствующих обоснованиях допускается к установке прессуемая и болтовая. На переходных промежуточных опорах больших переходов применяются поддерживающие роликовые подвесы, допускающие сезонные перемещения провода.

На ВЛ напряжением до 1 кВ рекомендуется применять линейную арматуру для самонесущего изолированного провода (рис. 6). Соединения и ответвления проводов на ВЛ напряжением 0,4 кВ допускается выполнять только с применением специальных зажимов, соответствующих типу самонесущего провода.

Рис. 6. Линейная арматура для самонесущего изолированного провода 0,4 кВ

Соединения ответвлений к вводам ВЛ с внутренней проводкой должно осуществляться с применением ответвительных одноразовых, прокалывающих, герметичных зажимов со срывной головкой без возможности их демонтажа. Линейная арматура должна быть необслуживаемая и соответствовать сроку службы ВЛ.

Арматура, предназначенная крепления и подвески проводов с защитной изоляцией СИП-3 напряжением 35 кВ и СИП-7 напряжением 110 кВ, не должна создавать условий для попадания влаги к токопроводящей жиле. Вспомогательное оборудование и арматура для подвески, крепления и монтажа не должны нарушать технических и эксплуатационных параметров (характеристик) провода в процессе монтажа и эксплуатации. Арматура предназначена для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от минус 60 до плюс 50°С, на высоте до 1000 м над уровнем моря в районах с (1 – 4) степенью загрязнения, во всех районах по ветру и гололёду. Климатическое исполнение арматуры и категория размещения по ГОСТ 15150 — УХЛ1.

Сцепная арматура служит для крепления проводов к гирляндам изоляторов и крепления гирлянд изоляторов к траверсам опор. Сцепная арматура изготовляется из оцинкованной стали. Номенклатура сцепной арматуры достаточно разнообразна.

На ВЛ с гирляндами изоляторов провода укладываются в специальные зажимы. Зажимы, как и гирлянды, подразделяются на поддерживающие и натяжные. Поддерживающие глухие зажимы обеспечивают жесткое крепление провода за счет нажимных плашек и U-образных болтов. Иногда применяются поддерживающие зажимы с ограниченной прочностью заделки провода. Такие зажимы при обрыве провода допускают его проскальзывание, уменьшая тем самым одностороннее тяжение провода на промежуточные опоры.

При применении унифицированных или типовых опор на ВЛ используется разнообразная линейная арматура:

• арматура для крепления проводов к штыревым или подвесным изоляторам;
• арматура для сцепки изоляторов в гирлянду;
• арматура для крепления гирлянды изоляторов к опорам или траверсам;
• арматура для крепления грозозащитных тросов;
• арматура для демпфирования вибрации проводов и тросов (петля или виброгаситель крепятся с помощью этой арматуры);
• арматура для предупреждения схлестыванияи опасных сближений проводов расщепленных фаз или проводов разноименных фаз и др.

Выбор линейной арматуры производиться в соответствии с ее назначением и в соответствии с номинальным напряжением ВЛ, а также в зависимости от марок проводов и их числа в расщепленных фазах и марок грозозащитных тросов.

Подбор линейной арматуры воздушных линий электропередачи осуществляется по разрушающим нагрузкам. На анкерных опорах применяются натяжные зажимы, воспринимающие полное тяжение провода. В этих зажимах провод крепится наглухо. Различают болтовые, прессуемые и клиновые натяжные зажимы (рис. 7). В болтовых зажимах крепление провода осуществляется с помощью нажимных плашек и U-образных болтов. Такие зажимы используются для проводов сечением до 500 мм².

Рис. 7. Фиксирующая арматура: а – глухой поддерживающий зажим; б – болтовой натяжной зажим; в – прессуемый натяжной зажим; 1 – корпус; 2 – палец; 3 – провод; 4 – U-образный болт с плашкой; 5 – анкер

В прессуемых зажимах опрессовывается часть зажима вокруг провода. Эти зажимы состоят из стального анкера 1, в котором по длине l₁опрессовывается стальной сердечник провода, и алюминиевого корпуса 2, в котором по длине l₂опрессовывается алюминиевая часть провода со стороны пролета, а по длине l — один конец соединительного шлейфа между двумя натяжными зажимами анкерной опоры. Прессуемые зажимы используются для проводов сечением 300 мм² и более.

Клиновые зажимы используются для крепления фазных проводов и стальных грозозащитных тросов. В этих зажимах провод или трос под действием тяжения заклинивается между телом зажима и клином.

На рис. 8 показана гирлянда изоляторов с основными элементами сцепной арматуры. К траверсе 1 крепится U-образная скоба 2, на которую предварительно надевается серьга 3. Нижний конец серьги вставляется в гнездо шапки верхнего изолятора 4. Со стержнем нижнего изолятора 5 соединяется ушко 6, имеющее в верхней части специальное гнездо. Нижняя часть ушка, имеющая отверстие, соединяется с помощью стального пальца с зажимом 7, имеющим в верхней части отверстие такого же размера. Надежность соединений серьги с изолятором, ушка с изолятором и изоляторов между собой обеспечивается специальными замками. Соединение ушка с зажимом запирается шплинтом.

Рис. 15. Гирлянда изоляторов а) и элементы сцепной арматуры (б, в, г): 1 – траверса; 2 – скоба; 3 – серьга; 4 – гнездо шапки верхнего изолятора; 5 – нижний изолятор; 6 – ушко со специальным гнездом; 7 — глухой поддерживающий зажим

Соединительная арматура ВЛ предназначена для соединения отдельных кусков провода при его монтаже и эксплуатации. Сталеалюминевые провода сечением до 185 мм² соединяются с помощью овальных соединителей, представляющих собой алюминиевую трубку овального сечения. В эту овальную трубку с разных сторон вставляются концы соединяемых проводов и с помощью специальных переносных клещей производится скручивание соединителя или его обжатие (рис. 9, а, б). Скручивание соединителя применяется для проводов сечением до 95 мм², обжатие — для проводов сечением до 185 мм². Для повышения надежности соединения и обеспечения надежного электрического контакта короткие концы соединяемых проводов, выходящие из соединителя, сваривают с помощью термитной сварки (рис. 9, в, г). Изолированные провода соединяются обжатием с последующим покрытием термоусаживаемой изоляцией (рис. 9, д). Сталеалюминевые провода сечением 240 мм² и более соединяются с помощью прессуемых соединителей, состоящих из двух трубок — стальной и алюминиевой. С помощью стальной трубки опрессовываются концы стальных сердечников соединяемых проводов, с помощью алюминиевой трубки, накладываемой поверх стальной, опрессовываются алюминиевые части соединяемых проводов. На анкерных опорах соединение шлейфов, идущих от натяжных зажимов, осуществляется с помощью термитной сварки, обеспечивающей надежный электрический контакт.

Рис. 9. Соединение проводов: а-б) – обжатие и скручивание неизолированных проводов; в-г) – обжатие со сваркой; д) – соединение трех изолированных проводов обжатием

Защитная арматура ВЛ предназначена для предотвращения опасных последствий вибрации проводов, использованием многочастотных гасителей вибрации, и сближений (схлестывания) проводов расщепленных фаз.

В результате воздействия ветра на провод при определенных условиях возникают колебания провода с большой частотой (5…60 Гц) и малой амплитудой (2…З см). Это явление называется вибрацией проводов. Вибрация приводит к периодическим изгибам провода в месте его крепления в зажиме и, как следствие, к излому отдельных проволок и обрыву провода.

Для защиты одиночных проводов и грозозащитных тросов от повреждений вибрацией и поглощения энергии вибрирующих проводов наибольшее распространение получили многочастотные гасители вибрации Стокбриджа и различные их модификации, сочетающие высокую эффективность защитного действия с конструктивной простотой и невысокой стоимостью (рис. 10). Применяются также гасители петлевого типа (фестоны) (рис. 11). Гаситель вибрации Стокбриджа представляет собой отрезок многопроволочного оцинкованного стального каната с укрепленным посередине зажимом для установки его на проводе (тросе) и двумя отлитыми из чугуна грузами стаканообразной формы, закрепленными по концам каната. Динамические характеристики и эффективность таких гасителей зависят от формы и массы грузов, марки и длины рабочей части стального каната и его упругих свойств.

Рис. 10. Многочастотный гаситель вибраций проводов Стокбриджа

Рис. 11. Однопетлевой (а) и двухпетлевой (б) гасители пляски «Крыло» на проводе АС-120/19

Устанавливаются гасители вибрации по обе стороны от поддерживающей гирлянды изоляторов (рис. 12, а) или со стороны пролета от натяжной гирлянды (рис. 12, б) на расстоянии 0,5…1 м от гирлянды. В качестве гасителя вибраций также используется шунтирующая петля из провода на поддерживающей гирлянде изоляторов (рис. 12, г).

Рис. 12. Гасители вибрации (а, б, г) и дистанционная распорка (в): 1 – гаситель вибрации проводов; 2 – зажим; 3 – поддерживающий зажим; 4 –поддерживающая гирлянда; 5 – провод; 6 – распорка проводов расщепленной фазы

При наличии гололедных отложений центр масс сечения провода смещается от его оси и при вертикальных колебаниях возникает сила инерции, вектор которой смещен относительно оси провода. Эта сила создает крутящий момент, поддерживающий крутильные колебания. Вертикальные и крутильные колебания взаимно поддерживают друг друга и при скорости ветра, превышающей некоторое критическое значение, могут развиться до значительных амплитуд. Основное назначение гасителя – рассогласование частот вертикальных и крутильных колебаний и исключение их близости при обледенении провода. Указанный выше принцип рассогласования частот реализован конструктивно в виде одно- и двухпетлевых гасителей – «Крыло» и «Бабочка».

Гаситель вибраций этого типа состоит из одного или двух жестких грузов в виде куска провода или стального прутка, которые с помощью петель спиральной арматуры крепятся к проводу (рис. 9).

Спиральная прядь состоит из 4…8 стальных проволок диаметром 3…5 мм. Диаметр петли однопетлевого гасителя – 0,2…0,5 м, масса груза 3…15 кг. Диаметр петель двухпетлевого гасителя должен быть 0,3…0,6 м. Обе петли расположены в одной плоскости. Длина груза – 0,9…1,5 м. Масса гасителя – 3…20 кг.

На ВЛ напряжением 330 кВ и выше каждая фаза выполняется расщепленной, т.е. состоящей из нескольких проводов. Между проводами одной фазы устанавливают дистанционные распорки, предотвращающие схлестывание отдельных проводов фазы (рис. 12,в).

Для повышения надежности защиты проводов от вибраций многочастотные гасители вибрации Стокбриджа устанавливают последовательно. Вариант расположения гасителей вибрации при монтаже поддерживающего зажима с силовыми прядями и протектором защитным спирального типа показан на рис. 13.

Рис. 13. Последовательная установка гасителей вибрации при монтаже поддерживающего зажима с силовыми прядями и протектором защитным спирального типа

Изоляторы предназначены для изоляции находящихся под напряжением проводов ВЛ от конструктивных частей опоры. Изоляторы ВЛ работают в естественных климатических условиях и подвержены как электрическим, так и механическим воздействиям. Основными требованиями, предъявляемыми к изоляторам, являются: высокая электрическая и механическая прочность, экономичность и стойкость к воздействию внешней среды. Для изготовления изоляторов используются фарфор, закаленное стекло и полимеры.

Количество и тип изоляторов в гирляндах разного назначения на ВЛ должны выбираться в соответствии с действующими нормами, а также с учетом местных условий, в том числе наличия обновленных карт загрязнения изоляции. Так на ВЛ 220 кВ и выше, как правило, следует применять стеклянные изоляторы со сниженным уровнем радиопомех, кроме того на ВЛ 220 кВ и выше гирлянды изоляторов должны быть снабжены защитной арматурой. На ВЛ 220 кВ, круглогодично доступных для обслуживания, проходящих в районах с степенью загрязненности атмосферы (СЗА) I – III (за исключением ВЛ, проходящих в III и выше районах по ветру/гололеду) при наличии обоснования используются полимерные изоляторы цельнолитые с кремнийорганической защитной оболочкой и наличием индикатора перекрытия.

На ВЛ 35 – 110 кВ рекомендуется применять полимерные и стеклянные изоляторы.

На ВЛ напряжением 110 кВ и выше на высотных опорах рекомендуется применять длинностержневые фарфоровые изоляторы (при обосновании), а на больших переходах ВЛ 110 кВ и выше – стеклянные изоляторы.

На ВЛ напряжением 6 – 20 кВ рекомендуется применять:

• подвесные полимерные, стеклянные изоляторы;
• полимерные изолирующие распорки;
• полимерные изолирующие траверсы;
• штыревые стеклянные и фарфоровые изоляторы с проушиной, с применением спиральной вязки для проводов марки СИП-3 и АС.

На ВЛ напряжением до 220 кВ включительно, проходящих в стесненных условиях, имеющих возможность подъезда автовышки к опорам для проведения технического обслуживания и ремонтов арматуры и изоляторов рекомендованы к установке полимерные консольные изолирующие траверсы.

Конструктивно изоляторы ВЛ изготавливаются двух основных типов: штыревые (рис. 14, а.) и подвесные (рис. 14, б). Штыревые изоляторы применяются для ВЛ напряжением до 20 кВ и представляют собой монолитное тело 1 специальной формы с канавками для укладки провода и посадочным местом для металлического штыря или крюка 2. К штыревым изоляторам провода привязываются мягкой проволокой того же металла, что и сам провод.

Рис. 14. Изоляторы воздушных линий: а) – штыревой 6 – 10 кВ; б) — штыревой 35 кВ; в) – подвесной; г),д) – стержневые полимерные

Для ВЛ напряжением 35 кВ и выше применяются подвесные изоляторы. Такой изолятор состоит из изолирующей части 1, шапки из ковкого чугуна 2, стального стержня 3. Шапка и стержень с изолирующей частью соединяются цементной связкой 4. В верхней части чугунной шапки имеется гнездо, совпадающее по форме с нижней головкой стального стержня. Эти элементы позволяют собирать подвесные изоляторы в гибкие гирлянды. Гирлянды изоляторов удобны при монтаже и эксплуатации в связи с несложной заменой поврежденного изолятора в гирлянде. По назначению различают гирлянды поддерживающие – для промежуточных опор и гирлянды натяжные – для анкерных опор. Характеристики поддерживающих гирлянд изоляторов ВЛ напряжением 35—330 кВ приведены в табл. 4.

В буквенном обозначении изолятора указывается его тип (П — подвесной, Ш — штыревой), материал (С — стеклянный, Ф — фарфоровый). В цифровом обозначении изолятора указывается разрушающая механическая нагрузка. Например, ПФ-60 — изолятор подвесной, фарфоровый, с разрушающей механической нагрузкой 60 кН.

Таблица 4. Характеристики поддерживающих гирлянд изоляторов ВЛ 35 — 330 кВ

Для металлических многогранных и композитных опор компактных ВЛ в настоящее время применяются новые узлы крепления и изоляции проводов (изолирующие траверсы) (рис. 15) с ограничителем перенапряжений (ОПН).

Рис. 15. Изолирующая траверса для ВЛЗ-10 с ОПН

Комбинированный изолятор-разрядник (рис. 16) – устройство, объединяющее в единый узел традиционный изолятор и разрядник, предназначенное для молниезащиты линий электропередачи как от прямых ударов молнии, так и от индуктированных перенапряжений. Молниезащита ВЛ напряжением 35 – 220 кВ с применением данных устройств позволяет отказаться от использования как грозозащитного троса, так и ОПН, что ведет к снижению массы и стоимости опор и фундаментов, и соответственно общей стоимости строительства ВЛ.

Рис. 16. Мультикамерные изоляторы-разрядники ВЛ 10 кВ

Выбор изоляторов для поддерживающих гирлянд промежуточных опор и для натяжных гирлянд анкерных опор производиться в зависимости от усилий, действующих по оси гирлянды, в нормальном и аварийном режиме, возникающем при обрыве провода, и назначаемых коэффициентов запаса прочности (2,7 в нормальном режиме наибольшей нагрузке, 5,0 то же, но для средних эксплуатационных условий, 1,8 – 2,0 в аварийном режиме).

В эксплуатации значимым результатом замены традиционных средств молниезащиты ВЛ (грозозащитного троса или ОПН) на комбинированные изоляторы — разрядники является снижение трудоемкости и стоимости обслуживания и ремонтов ВЛ, связанных с негативными последствиями воздействия разрядов молнии при грозе и обледенения тросов в гололедный период. За счет снижения токовых воздействий на выключатели и обмотки силовых трансформаторов значительно повышается ресурс основного оборудования подстанций.