Выбор и расчет изоляторов и линейной арматуры для воздушных линий электропередач 110 кВ

Воздушные линии электропередачи (ВЛ) являются становым хребтом любой энергетической системы, обеспечивая транспортировку электроэнергии на огромные расстояния. Надежность и долговечность ВЛ напрямую зависит от качества и правильности подбора ее ключевых компонентов, среди которых изоляторы и линейная арматура играют первостепенную роль. Эти элементы не просто удерживают провода на опорах, но и обеспечивают необходимый изоляционный промежуток, противостоят колоссальным механическим нагрузкам и агрессивным воздействиям окружающей среды. Исторически, от простейших фарфоровых штыревых изоляторов до современных композитных и стеклянных гирлянд, технологии шагнули далеко вперед, но фундаментальные принципы расчета и выбора остаются неизменными и требуют глубокого инженерного подхода. В данном руководстве мы детально рассмотрим методику выбора изоляторов и арматуры для ВЛ напряжением 110 кВ, основываясь на требованиях Правил устройства электроустановок (ПУЭ 7) и действующих государственных стандартов (ГОСТ).

1. Расчет и выбор изоляторов для гирлянд ВЛ

На промежуточных опорах воздушных линий 110 кВ для подвески проводов используются поддерживающие гирлянды, собранные из отдельных подвесных изоляторов. Эти гирлянды через специализированную линейную арматуру крепятся к траверсам опор. Их главная задача — двойная: с одной стороны, они несут на себе всю весовую нагрузку от провода, гололеда и собственного веса, а с другой — обеспечивают надежную электрическую изоляцию провода под высоким напряжением от заземленных элементов опоры.

Ключевым методом для инженерного расчета и выбора изоляторов является метод разрушающих нагрузок. Этот подход гарантирует, что каждый элемент системы будет обладать достаточным запасом прочности для работы в самых неблагоприятных условиях.

1.1. Определение расчетных нагрузок на поддерживающую гирлянду

В нормальных условиях эксплуатации поддерживающая гирлянда изоляторов испытывает постоянную вертикальную (осевую) нагрузку. Эта нагрузка является суммой трех составляющих: веса провода в пролете (Р_п), веса отложений гололеда на проводе (Р_г) и собственного веса гирлянды (Р_и). Для предварительных расчетов вес гирлянды можно принять равным Р_и ≈ 500 Н.

Нормативная вертикальная нагрузка от веса провода без учета гололеда (в Ньютонах) определяется по формуле:

где:

• F — фактическая площадь сечения провода, мм²;
• l_вес — весовой пролет, м (расстояние между низшими точками провеса провода в смежных пролетах).

Наиболее суровые условия наступают зимой, когда провод покрывается коркой гололеда и одновременно подвергается ветровому давлению. Нормативная нагрузка для этого случая (в Ньютонах) рассчитывается как:

Эта формула учитывает суммарный вес провода и льда, создавая основу для выбора изолятора с необходимым запасом механической прочности.

1.2. Выбор типа изолятора по механической прочности

Выбор конкретного типа изолятора, например, популярного стеклянного изолятора типа ПС-120Б, производится на основании проверки его характеристик на соответствие расчетным условиям. Конструкция и параметры таких изоляторов должны соответствовать ГОСТ 27661-88 «Изоляторы линейные подвесные тарельчатые. Типы, параметры и размеры».

Проверка выполняется по следующим неравенствам:

где Р_эм — это нормированная разрушающая электромеханическая нагрузка для выбранного типа изолятора, указываемая в паспорте изделия, Н.

После того как тип изолятора успешно выбран по механической прочности, необходимо определить требуемое количество изоляторов в гирлянде для обеспечения электрической прочности.

Рис. 1. Конструктивное исполнение изолятора ПС-120Б

1.3. Расчет количества изоляторов в гирлянде

Число изоляторов в гирлянде зависит от класса напряжения линии и условий окружающей среды, а именно — степени загрязнения атмосферы (СЗ). Этот параметр определяет минимально допустимую длину пути утечки тока по поверхности изолятора. Расчет ведется по формуле:

где:

• λ_эф — минимальная удельная эффективная длина пути утечки, см/кВ. Согласно ПУЭ, ее значение зависит от степени загрязнения атмосферы (для II СЗ, например, λ_эф = 2,5 см/кВ);
• U_наиб — наибольшее рабочее межфазное напряжение сети, кВ. Для сетей 110 кВ оно составляет U_наиб = 1.15 · U_ном = 1.15 · 110 ≈ 126 кВ;
• — удельная эффективная длина пути утечки для одного выбранного изолятора, см;
• k — поправочный коэффициент, учитывающий конфигурацию гирлянды и тип изоляторов (обычно принимается k ≥ 1). Рассчитывается как:

Полученное по формуле значение n всегда округляется до ближайшего большего целого числа, и для дополнительного запаса надежности в гирлянду часто добавляют еще один изолятор (n+1).

1.4. Особенности расчета натяжных гирлянд

Для анкерных и угловых опор применяются натяжные гирлянды, которые воспринимают не вертикальную, а горизонтальную нагрузку — полное тяжение провода T_max. Эта нагрузка значительно превышает весовую, поэтому расчет механической прочности для них еще более критичен. Условия проверки имеют вид:

Как правило, для натяжных гирлянд на линиях 110 кВ используются изоляторы того же типа, что и в поддерживающих, но их количество увеличивается (n+1 или n+2) для повышения как механической, так и электрической надежности.

Важное замечание: на ВЛ напряжением до 110 кВ включительно грозозащитный трос крепится к вершине опоры напрямую, без использования изоляторов, так как он должен иметь надежное заземление.

2. Комплексный подбор линейной арматуры

Линейная арматура — это совокупность стандартных изделий, предназначенных для соединения элементов ВЛ в единую систему: крепления гирлянд к траверсам опор, соединения изоляторов между собой и фиксации провода в гирлянде. Надежность арматуры не менее важна, чем прочность изоляторов. Весь комплекс арматуры должен соответствовать требованиям ГОСТ 13276-79 «Арматура линейная. Общие технические условия».

Расчет арматуры также производится по методу разрушающих нагрузок. Для обеспечения высокой надежности коэффициент запаса прочности для арматуры в нормальном режиме с ветром и гололедом принимается не менее k = 2,5.

Выбор конкретных изделий осуществляется по условию:

• Для арматуры, работающей с проводом (Н):

• Для арматуры, работающей с тросом (Н):

На основе этих расчетов подбирается полный комплект арматуры, который обычно стандартизирован для определенного класса напряжения и сечения провода. Рассмотрим типовой комплект.

2.1. Узлы крепления к опоре

Для крепления всей гирлянды к траверсе опоры используются специальные узлы крепления, выбор которых часто диктуется конструкцией самой траверсы. Распространенным решением является узел типа КГП-12-1.

Рис. 2. Конструкция узла крепления КГП-12-1

Таблица 1. Технические параметры узла крепления КГП-12-1

2.2. Сцепная арматура (серьги и ушки)

Для соединения узла крепления с первым изолятором гирлянды и последнего изолятора с поддерживающим зажимом используется сцепная арматура — серьги и ушки. Они обеспечивают гибкость соединения. Типичными представителями являются серьга СР-6-16 и ушко У1-12-16.

Рис. 3. Конструкция серьги СР-6-16

Рис. 4. Конструкция ушка У1-12-16

Таблица 2. Технические характеристики сцепной арматуры

2.3. Поддерживающие зажимы

Непосредственно для крепления провода или троса к гирлянде используется поддерживающий зажим. Для промежуточных опор применяются глухие зажимы, которые жестко фиксируют провод. Примером может служить зажим ПГН-3-5.

Рис. 5. Конструкция поддерживающего зажима ПГН-3-5

Таблица 3. Параметры поддерживающего зажима ПГН-3-5

Арматура для натяжных гирлянд подбирается аналогичным образом, но исходя из максимального тяжения провода T_max. В качестве зажимов в этом случае применяются специальные натяжные зажимы, например, болтового или прессуемого типа.

2.4. Итоговые параметры гирлянды

После выбора всех компонентов (изоляторов и полного комплекта арматуры) определяются финальные характеристики гирлянды, которые необходимы для дальнейших расчетов ВЛ (например, для определения стрелы провеса провода):

• Фактический вес гирлянды (М_г, кг):

• Строительная длина гирлянды (L_г, м):

Эти параметры позволяют точно рассчитать нагрузки на опоры и фундаменты, обеспечивая комплексную надежность всей конструкции линии электропередачи.

3. Сравнительный анализ материалов для изоляторов ВЛ

Современная электроэнергетика использует три основных типа материалов для изготовления подвесных изоляторов. Выбор конкретного типа зависит от множества факторов, включая климатические условия, уровень загрязнения, требования к надежности и экономическую целесообразность.

Таблица 4. Сравнение характеристик различных типов изоляторов

Заключение

Грамотный и meticulous (тщательный) выбор изоляторов и линейной арматуры является залогом бесперебойной и безопасной работы воздушных линий электропередачи 110 кВ. Процесс выбора представляет собой комплексную инженерную задачу, которая требует не только точного выполнения расчетов механических нагрузок и электрических параметров, но и глубокого понимания условий эксплуатации, климатических особенностей региона и требований нормативных документов, таких как ПУЭ и ГОСТ. Современные тенденции в отрасли, такие как все более широкое применение полимерных изоляторов и разработка арматуры для работы в экстремальных условиях, открывают новые возможности для повышения эффективности и долговечности электросетевого комплекса.

• Об авторе
• Недавние публикации

Андрей Вольтович

Более 20 лет в проектировании и монтаже электрических сетей, работает на производстве и в строительстве.

Андрей Вольтович недавно публиковал (посмотреть все)

• Теплая керамика: полное руководство по строительству из керамоблоков - 09.09.2025
• Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК): профили, фундаменты, стены и перекрытия - 09.09.2025
• Гидроизоляция строительных конструкций: технологии, материалы и нормы расхода - 21.08.2025