Воздушные и кабельные линии электропередачи (ЛЭП)

Общие сведении и определения

В общем случае можно считать, что линия электропередачи (ЛЭП) это - электрическая линия, выходящая за пределы электростанции или подстанции и предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние; она состоит из проводов и кабелей, изолирующих элементов и несущих конструкций.

Современная классификация ЛЭП по ряду признаков представлена в табл. 13.1.

Классификация линий электропередачи

Таблица 13.1

Признак	Тип линии	Разновидность
Род тока	Постоянного тока
	Трехфазного переменного тока
	Многофазного переменного тока	Шестифазная
		Двенадцатифазная
Номинальное напряжение	Низковольтная (до 1 кВ)
	Высоковольтная (свыше 1 кВ)	СН (3-35 кВ)
		ВН (110-220 кВ)
		СВН (330-750 кВ)
		УВН (свыше 1000 кВ)
Конструктивное выполнение	Воздушная
	Кабельная
Число цепей	Одноцепная
	Двухцепная
	Многоцепная
Топологические характеристики	Радиальная
	Магистральная
	Ответвление
Функциональное назначение	Распределительная
	Питающая
	Межсистсмная связь

В классификации на первом месте стоит род тока. В соответствии с этим признаком различаются линии постоянного тока, а также трехфазного и многофазного переменного тока.

Линии постоянного тока конкурируют с остальными лишь при достаточно большой протяженности и передаваемой мощности, поскольку в общей стоимости электропередачи значительную долю составляют затраты на сооружение концевых преобразовательных подстанций.

Наибольшее распространение в мире получили линии трехфазного переменного тока , причем по протяженности среди них лидируют именно воздушные линии. Линии многофазного переменного тока (шести- и двенадцатифазные) в настоящее время относятся к категории нетрадиционных.

Наиболее важным признаком, определяющим различие конструктивных и электрических характеристик ЛЭП, является номинальное напряжение U . К категории низковольтных относятся линии с номинальным напряжением менее 1 кВ. Линии с U hou > 1 кВ принадлежат к разряду высоковольтных , и среди них выделяются линии среднего напряжения (СН) с U iom = 3-35 кВ, высокого напряжения (ВН) с U nou = 110-220 кВ, сверхвысокого напряжения (СВН) U h(m = 330-750 кВ и ультравысокого напряжения (УВН) с U hou > 1000 кВ.

По конструктивному исполнению различают воздушные и кабельные линии. По определению воздушная линия - это линия электропередачи, провода которой поддерживаются над землей с помощью опор, изоляторов и арматуры. В свою очередь, кабельная линия определяется как линия электропередачи, выполненная одним или несколькими кабелями, уложенными непосредственно в землю или проложенными в кабельных сооружениях (коллекторах, туннелях, каналах, блоках и т.п.).

По количеству параллельных цепей (л ц), прокладываемых по общей трассе, различают одноцепные (п =1), двухцепные (и ц = 2) и многоцепные (и ц > 2) линии. По ГОСТ 24291-9Ь одноцепная воздушная линия переменного тока определяется как линия, имеющая один комплект фазных проводов, а двухцепная ВЛ - два комплекта. Соответственно многоцепной ВЛ называется линия, имеющая более двух комплектов фазных проводов. Эти комплекты могут иметь одинаковые или различные номинальные напряжения. В последнем случае линия называется комбинированной.

Одноцепные воздушные линии сооружаются на одноцепных опорах, тогда как двухцепные могут сооружаться либо с подвеской каждой цепи на отдельных опорах, либо с их подвеской на общей (двухцепной) опоре.

В последнем случае, очевидно, сокращается полоса отчуждения территории под трассу линии, но возрастают вертикальные габариты и масса опоры. Первое обстоятельство, как правило, является решающим, если линия проходит в густонаселенных районах, где обычно стоимость земли достаточно высока. По этой же причине в ряде стран мира используются и многоценные опоры с подвеской цепей одного номинального напряжения (обычно с и ц = 4) либо разных напряжений (с я ц

По топологическим (схемным) характеристикам различают радиальные и магистральные линии. Радиальной считается линия, в которую мощность поступает только с одной стороны, т.е. от единственного источника питания. Магистральная линия определяется ГОСТ как линия, от которой отходит несколько ответвлений. Под ответвлением понимается линия, присоединенная одним концом к другой ЛЭП в ее промежуточной точке.

Последний признак классификации - функциональное назначение. Здесь выделяются распределительные и питающие линии, а также линии межсистемной связи. Деление линий на распределительные и питающие достаточно условно, ибо и те, и другие служат для обеспечения электрической энергией пунктов потребления. Обычно к распределительным относят линии местных электрических сетей, а к питающим - линии сетей районного значения, которые осуществляют электроснабжение центров питания распределительных сетей. Линии межсистемной связи непосредственно соединяют разные энергосистемы и предназначены для взаимного обмена мощностью как в нормальных режимах, так и при авариях.

Процесс электрификации, создания и объединения энергосистем в Единую энергосистему сопровождался постепенным увеличением номинального напряжения ЛЭП с целью повышения их пропускной способности. В этом процессе на территории бывшего СССР исторически сложились две системы номинальных напряжений. Первая, наиболее распространенная, включает в себя следующий ряд значений U Hwt: 35-110-200-500- 1150 кВ, а вторая -35-150-330-750 кВ. К моменту распада СССР на территории России находилось в эксплуатации более 600 тыс. км ВЛ 35-1150 кВ. В последующий период рост протяженности продолжался, хотя и менее интенсивно. Соответствующие данные представлены в табл. 13.2.

Динамика изменения протяженности ВЛ за 1990-1999 гг.

Таблица 13.2

и , кВ	Протяженность ВЛ, тыс. км
	1990 г.	1995 г.	1996 г.	1997 г.	1998 г.	1999 г.
Всего

Воздушными называются линии, предназначенные для передачи и рас-пределения ЭЭ по проводам, расположенным на открытом воздухе и под-держиваемым с помощью опор и изоляторов. Воздушные ЛЭП сооружаются и эксплуатируются в самых разнообразных климатических условиях и гео-графических районах, подвержены атмосферному воздействию (ветер, голо-лед, дождь, изменение температуры).

В связи с этим ВЛ должны сооружаться с учетом атмосферных явлений, загрязнения воздуха, условий прокладки (слабозаселенная местность, территория города, предприятия) и др. Из ана-лиза условий ВЛ следует, что материалы и конструкции линий должны удовлетворять ряду требований: экономически приемлемой стоимостью, хо-рошей электропроводностью и достаточной механической прочностью мате-риалов проводов и тросов, стойкостью их к коррозии, химическим воздействиям; линии должны быть электрически и экологически безопасны, занимать минимальную территорию.

Конструктивное исполнение воздушных линий. Основными конст-руктивными элементами ВЛ являются опоры, провода, грозозащитные тро-сы, изоляторы и линейная арматура .

По конструктивному исполнению опор наиболее распространены одно-и двухцепные ВЛ. На трассе линии могут сооружаться до четырех цепей. Трасса линии - полоса земли, на которой сооружается линия. Одна цепь вы-соковольтной ВЛ объединяет три провода (комплекта проводов) трехфазной линии, в низковольтной - от трех до пяти проводов. В целом конструктивная часть ВЛ (рис. 3.1) характеризуется типом опор, длинами пролетов, габарит-ными размерами, конструкцией фаз, количеством изоляторов.

Длины пролетов ВЛ l выбирают по экономическим соображениям, т. к. с увеличением длины пролета возрастает провис проводов, необходимо уве-личить высоту опор H, чтобы не нарушить допустимый габарит линии h (рис. 3.1, б), при этом уменьшится количество опор и изоляторов на линии. Габарит линии - наименьшее расстояние от нижней точки провода до земли (воды, полотна дороги) должно быть таким, чтобы обеспечить безопасность движения людей и транспорта под линией.

Это расстояние зависит от номи-нального напряжения линии и условий местности (населенная, ненаселен-ная). Расстояние между соседними фазами линии зависит главным образом от ее номинального напряжения. Конструкция фазы ВЛ в основном опреде-ляется количеством проводов в фазе. Если фаза выполнена несколькими про-водами, она называется расщепленной. Расщепленными выполняют фазы ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения. При этом в одной фазе используют два провода при 330 (220) кВ, три - при 500 кВ, четыре-пять - при 750 кВ, восемь, одиннадцать - при 1150 кВ.

Опоры воздушных линий. Опоры ВЛ - конструкции, предназначен-ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой, или каким-то инженерным сооружением. Кроме того, на опорах в необходимых случаях подвешивают стальные заземленные тросы для защиты прово-дов от прямых ударов молнии и связанных с этим перенапряжений.

Типы и конструкции опор разнообразны. В зависимости от назначения и размещения на трассе ВЛ они подразделяются на промежуточные и анкер-ные. Отличаются опоры материалом, исполнением и способом крепления, подвязки проводов. В зависимости от материала они бывают деревянные, железобетонные и металлические.

Промежуточные опоры наиболее простые, служат для поддерживания проводов на прямых участках линии. Они встречаются наиболее часто; доля их в среднем составляет 80-90 % общего числа опор ВЛ. Провода к ним кре-пят с помощью поддерживающих (подвесных) гирлянд изоляторов или шты-ревых изоляторов. Промежуточные опоры в нормальном режиме испытыва-ют нагрузку в основном от собственного веса проводов, тросов и изоляторов, подвесные гирлянды изоляторов свисают вертикально.

Анкерные опоры устанавливают в местах жесткого крепления прово-дов; они делятся на концевые, угловые, промежуточные и специальные. Ан-керные опоры, рассчитанные на продольные и поперечные составляющие тяжения проводов (натяжные гирлянды изоляторов расположены горизон-тально), испытывают наибольшие нагрузки, поэтому они значительно слож-нее и дороже промежуточных; число их на каждой линии должно быть ми-нимальным.

В частности, концевые и угловые опоры, устанавливаемые в конце или на повороте линии, испытывают постоянное тяжение проводов и тросов: одно-стороннее или по равнодействующей угла поворота; промежуточные анкер-ные, устанавливаемые на протяженных прямых участках, также рассчитыва-ются на одностороннее тяжение, которое может возникнуть при обрыве час-ти проводов в примыкающем к опоре пролете.

Специальные опоры бывают следующих типов: переходные - для больших пролетов пересечения рек, ущелий; ответвительные - для выполне-ния ответвлений от основной линии; транспозиционные - для изменения по-рядка расположения проводов на опоре.

Наряду с назначением (типом) конструкция опоры определяется коли-чеством цепей ВЛ и взаимным расположением проводов (фаз). Опоры (и ли-нии) выполняются в одно- или двухцепном варианте, при этом провода на опорах могут размещаться треугольником, горизонтально, обратной «елкой» и шестиугольником или «бочкой» (рис. 3.2 ).

Несимметричное расположение фазных проводов по отношению друг к другу (рис. 3.2) обусловливает неодинаковость индуктивностей и емкостей разных фаз. Для обеспечения симметрии трехфазной системы и выравнива-ния по фазам реактивных параметров на длинных линиях (более 100 км) на-пряжением 110 кВ и выше осуществляют перестановку (транспозицию) про-водов в цепи с помощью соответствующих опор.

При полном цикле транспозиции каждый провод (фаза) равномерно по длине линии занимает последовательно положение всех трех фаз на опоре (рис. 3.3).

Деревянные опоры (рис. 3.4 ) изготавливают из сосны или лиственницы и применяют на линиях напряжением до 110 кВ в лесных районах, в настоящее время все меньше. Основными элементами опор являются пасынки (пристав-ки) 1, стойки 2, траверсы 3, раскосы 4, подтраверсные брусья 6 и ригели 5. Опоры просты в изготовлении, дешевы, удобны в транспортировке. Основ-ной их недостаток - недолговечность из-за гниения древесины, несмотря на ее обработку антисептиком. Применение железобетонных пасынков (приста-вок) увеличивает срок службы опор до 20-25 лет.

Железобетонные опоры (рис. 3.5) наиболее широко применяются на линиях напряжением до 750 кВ. Они могут быть свободностоящие (проме-жуточные) и с оттяжками (анкерные). Железобетонные опоры долговечнее деревянных, просты в эксплуатации, дешевле металлических.

Металлические (стальные) опоры (рис. 3.6 ) применяют на линиях на-пряжением 35 кВ и выше. К основным элементам относятся стойки 1, тра-версы 2, тросостойки 3, оттяжки 4 и фундамент 5. Они прочны и надежны, но достаточно металлоемкие, занимают большую площадь, требуют для уста-новки сооружения специальных железобетонных фундаментов и в процессе эксплуатации должны окрашиваться для предохранения от коррозии .

Металлические опоры используются в тех случаях, когда технически сложно и неэкономично сооружать ВЛ на деревянных и железобетонных опорах (переходы через реки, ущелья, выполнение отпаек от ВЛ и т. п.).

В России разработали унифицированные металлические и железобе-тонные опоры различных типов для ВЛ всех напряжений, что позволяет се-рийно их производить, ускорять и удешевлять сооружение линий.

Провода воздушных линий .

Провода предназначены для передачи электроэнергии. Наряду с хорошей электропроводностью (возможно мень-шим электрическим сопротивлением), достаточной механической прочно-стью и устойчивостью против коррозии должны удовлетворять условиям экономичности. С этой целью применяют провода из наиболее дешевых ме-таллов - алюминия, стали, специальных сплавов алюминия. Хотя медь об-ладает наибольшей проводимостью, медные провода из-за значительной стоимости и потребности для других целей в новых линиях не используют-ся.

Их использование допускается в контактных сетях, в сетях горных предприятий.

На ВЛ применяются преимущественно неизолированные (голые) про-вода. По конструктивному исполнению провода могут быть одно- и много-проволочными, полыми (рис. 3.7 ). Однопроволочные, преимущественно стальные провода, используются ограниченно в низковольтных сетях. Для придания гибкости и большей механической прочности провода изготавли-вают многопроволочными из одного металла (алюминия или стали) и из двух металлов (комбинированные) - алюминия и стали. Сталь в проводе увеличи-вает механическую прочность.

Исходя из условий механической прочности, алюминиевые провода марок А и АКП (рис. 3.7) применяют на ВЛ напряжением до 35 кВ. Воздушные линии 6-35 кВ могут также выполняться сталеалюминиевыми проводами, а выше 35 кВ линии монтируются исключительно сталеалюминиевыми проводами.

Сталеалюминиевые провода имеют вокруг стального сердечника повивы из алюминиевых проволок. Площадь сечения стальной части обычно в 4-8 раз меньше алюминиевой, но сталь воспринимает около 30-40 % всей механической нагрузки; такие провода используются на линиях с длинными пролетами и на территориях с более тяжелыми климатическими условиями (с большей толщиной стенки гололеда).

В марке сталеалюминиевых прово-дов указывается сечение алюминиевой и стальной части, например, АС 70/11, а также данные об антикоррозийной защите, например, АСКС, АСКП - такие же провода, как и АС, но с заполнителем сердечника (С) или всего провода (П) антикоррозийной смазкой; АСК - такой же провод, как и АС, но с сердечником, покрытым полиэтиленовой плёнкой. Провода с антикорро-зийной защитой применяются в районах, где воздух загрязнен примесями, действующими разрушающе на алюминий и сталь. Площади сечения прово-дов нормированы Государственным стандартом.

Повышение диаметров проводов при неизменности расходования про-водникового материала может осуществляться применением проводов с на-полнителем из диэлектрика и полых проводов (рис. 3.7, г, д). Такое использо-вание снижает потери на коронирование (см. п. 2.2). Полые провода исполь-зуются главным образом для ошиновки распределительных устройств 220 кВ и выше.

Провода из сплавов алюминия (АН - нетермообработанные, АЖ - термообработанные) имеют большую по сравнению с алюминиевыми меха-ническую прочность и практически такую же электрическую проводимость. Они используются на ВЛ напряжением выше 1 кВ в районах с толщиной стенки гололеда до 20 мм.

Всё большее применение находят ВЛ с самонесущими изолированны-ми проводами напряжением 0,38-10 кВ. В линиях напряжением 380/220 В провода состоят из несущего неизолированного провода, являющегося нуле-вым, трёх изолированных фазных проводов, одного изолированного провода (любой фазы) наружного освещения. Фазные изолированные провода навиты вокруг несущего нулевого провода (рис. 3.8).

Несущий провод является сталеалюминиевым, а фазные - алюминие-выми. Последние покрыты светостойким термостабилизированным (сшитым) полиэтиленом (провод типа АПВ). К преимуществам ВЛ с изолированными проводами перед линиями с голыми проводами можно отнести отсутствие изоляторов на опорах, максимальное использование высоты опоры для под-вески проводов; нет необходимости в обрезке деревьев в зоне прохождения линии.

Грозозащитные тросы наряду с искровыми промежутками, разрядни-ками, ограничителями напряжений и устройствами заземления служат для защиты линии от атмосферных перенапряжений (грозовых разрядов). Тросы подвешивают над фазными проводами (рис. 3.5 ) на ВЛ напряжением 35 кВ и выше в зависимости от района по грозовой деятельности и материала опор, что регламентируется Правилами устройств электроустановок (ПУЭ).

В каче-стве грозозащитных проводов обычно применяют стальные оцинкованные канаты марок С 35, С 50 и С 70, а при использовании тросов для высокочас-тотной связи - сталеалюминевые провода. Крепление тросов на всех опорах ВЛ напряжением 220-750 кВ должно быть выполнено при помощи изолято-ра, шунтированного искровым промежутком. На линиях 35-110 кВ крепле-ние тросов к металлическим и железобетонным промежуточным опорам осуществляется без изоляции троса.

Изоляторы воздушных линий. Изоляторы предназначены для изоля-ции и крепления проводов. Изготавливаются они из фарфора и закаленного стекла - материалов, обладающих высокой механической и электрической прочностью и стойкостью к атмосферным воздействиям. Существенным дос-тоинством стеклянных изоляторов является то, что при повреждении зака-ленное стекло рассыпается. Это облегчает нахождение поврежденных изоля-торов на линии.

По конструкции, способу закрепления на опоре изоляторы разделяют на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы (рис. 3.9, а, б ) применяются для линий напряжением до 10 кВ и редко (для малых сечений) 35 кВ. Они крепятся к опорам при помощи крюков или штырей. Подвесные изоляторы (рис. 3.9, в) используются на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Они состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей части 1, шапки из ковкого чугуна 2, металлического стержня 3 и цементной связки 4.

Изоляторы собираются в гирлянды (рис. 3.9, г): поддерживающие на промежуточных опорах и натяж-ные - на анкерных. Количество изоляторов в гирлянде зависит от напряже-ния, типа и материала опор, загрязнённости атмосферы. Например, в линии 35 кВ - 3-4 изолятора, 220 кВ - 12-14; на линиях с деревянными опорами, обладающих повышенной грозоупорностью, количество изоляторов в гир-лянде на один меньше, чем на линиях с металлическими опорами; в натяж-ных гирляндах, работающих в наиболее тяжелых условиях, устанавливают на 1-2 изолятора больше, чем в поддерживающих.

Разработаны и проходят опытную промышленную проверку изоляторы с использованием полимерных материалов. Они представляют собой стерж-невой элемент из стеклопластика, защищённый покрытием с ребрами из фто-ропласта или кремнийорганической резины. Стержневые изоляторы по срав-нению с подвесными имеют меньший вес и стоимость, более высокую меха-ническую прочность, чем из закалённого стекла. Основная проблема - обес-печить возможность их длительной (более 30 лет) работы.

Линейная арматура предназначена для закрепления проводов к изоля-торам и тросов к опорам и содержит следующие основные элементы: зажи-мы, соединители, дистанционные распорки и др. (рис. 3.10).

Поддерживающие зажимы применяют для подвески и закрепления проводов ВЛ на промежуточных опорах с ограниченной жёсткостью заделки (рис. 3.10, а). На анкерных опорах для жёсткого крепления проводов исполь-зуют натяжные гирлянды и натяжные зажимы - натяжные и клиновые (рис. 3.10, б, в). Сцепная арматура (серьги, ушки, скобы, коромысла) предна-значена для подвески гирлянд на опорах. Поддерживающая гирлянда (рис. 3.10, г) закрепляется на траверсе промежуточной опоры с помощью серьги 1, вставляемой другой стороной в шапку верхнего подвесного изоля-тора 2. Ушко 3 используется для прикрепления к нижнему изолятору гирлян-ды поддерживающего зажима 4.

Дистанционные распорки (рис. 3.10, д), устанавливаемые в пролётах линий 330 кВ и выше с расщепленными фазами, предотвращают схлестывание, соударения и закручивание отдельных проводов фаз. Соединители при-меняются для соединения отдельных участков провода с помощью овальных или прессующих соединителей (рис. 3.10, е, ж ). В овальных соединителях провода либо скручиваются, либо обжимаются; в прессуемых соединителях, применяемых для соединения сталеалюминиевых проводов больших сече-ний, стальная и алюминиевые части опрессовываются отдельно.

Результатом развития техники передачи ЭЭ на дальние расстояния яв-ляются различные варианты компактных ЛЭП, характеризующиеся меньшим расстоянием между фазами и, как следствие, меньшими индуктивными со-противлениями и шириной трассы линии (рис. 3.11). При использовании опор «охватывающего типа» (рис. 3.11, а) уменьшение расстояния достигает-ся за счет расположения всех фазных расщепленных конструкций внутри «охватывающего портала», или по одну сторону от стойки опор (рис. 3.11, б). Сближение фаз обеспечивается с помощью междуфазных изоляционных рас-порок. Предложены различные варианты компактных линий с нетрадицион-ными схемами расположения проводов расщепленных фаз (рис. 3.11, в-и).

Кроме уменьшения ширины трассы на единицу передаваемой мощно-сти, компактные линии могут быть созданы для передачи повышенных мощ-ностей (до 8-10 ГВт); такие линии вызывают меньшую напряженность элек-трического поля на уровне земли и обладают рядом других технических дос-тоинств.

К компактным линиям относятся также управляемые самокомпенсирующиеся линии и управляемые линии с нетрадиционной конфигурацией расщепленных фаз. Они представляют собой двухцепные линии, в которых попарно сдвинуты одноименные фазы разных цепей. При этом к цепям под-водятся напряжения, сдвинутые на определенный угол. За счет режимного изменения с помощью специальных устройств угла фазового сдвига осуще-ствляется управление параметрами линий.

Содержание:

Один из столпов современной цивилизации – это электроснабжение. Ключевую роль в нем выполняют линии электропередачи – ЛЭП. Независимо от удаленности генерирующих мощностей от конечных потребителей, нужны протяженные проводники, которые их соединяют. Далее расскажем более детально о том, что из себя представляют эти проводники, именуемые как ЛЭП.

Какими бывают воздушные ЛЭП

Провода, прикрепленные к опорам, – это и есть воздушные ЛЭП. Сегодня освоены два способа передачи электроэнергии на большие расстояния. Они основаны на переменном и постоянном напряжениях. Передача электроэнергии при постоянном напряжении пока еще менее распространена в сравнении с переменным напряжением. Это объясняется тем, что постоянный ток сам по себе не генерируется, а получается из переменного тока.

По этой причине необходимы дополнительные электрические машины. А они стали появляться относительно недавно, поскольку в их основе используются мощные полупроводниковые приборы. Такие полупроводники появились лишь 20–30 лет тому назад, то есть примерно в 90-е годы ХХ века. Следовательно, до этого времени уже были построены в большом количестве ЛЭП переменного тока. Отличия линий электропередачи показаны далее на схематическом изображении.

Наибольшие потери вызывает активное сопротивление материала проводов. При этом не имеет значения, какой ток – постоянный или переменный. Для их преодоления напряжение в начале передачи повышается как можно больше. Уже преодолен уровень в один миллион вольт. Генератор Г питает ЛЭП переменного тока через трансформатор Т1. А в конце передачи напряжение понижается. ЛЭП питает нагрузку Н через трансформатор Т2. Трансформатор является самым простым и надежным инструментом преобразования напряжений.

У читателя, мало знакомого с электроснабжением, скорее всего, появится вопрос о смысле передачи электроэнергии на постоянном токе. А причины чисто экономические – передача электроэнергии на постоянном токе именно в самой ЛЭП дает большую экономию:

1. Генератор вырабатывает трехфазное напряжение. Следовательно, три провода для электроснабжения на переменном токе нужны всегда. А на постоянном токе всю мощность трех фаз можно передать по двум проводам. А при использовании земли как проводника – по одному проводу. Следовательно, экономия лишь на материалах получается трехкратной в пользу ЛЭП на постоянном токе.
2. Электрические сети переменного тока при объединении в одну общую систему должны иметь одинаковую фазировку (синхронизацию). Это значит, что мгновенное значение напряжения в соединяемых электросетях должно быть одинаковым. Иначе между соединяемыми фазами электросетей будет разность потенциалов. Как следствие соединения без фазировки – авария, сопоставимая с коротким замыканием. Для электросетей постоянного тока вообще не характерна. Для них имеет значение лишь действующее напряжение на момент соединения.
3. Для электрических цепей, работающих на переменном токе, характерен импеданс, который связан с индуктивностью и емкостью. Импеданс имеется также и у ЛЭП переменного тока. Чем протяженнее линия, тем больше импеданс и потери, с ним связанные. Для электрических цепей постоянного тока понятия импеданса не существует, как и потерь, связанных с изменением направления движения электрического тока.
4. Как уже упоминалось в п. 2, для стабильности в энергосистеме нужна синхронизация генераторов. Но чем больше система, работающая на переменном токе, и, соответственно, число электрогенераторов, тем сложнее их синхронизировать. А для энергосистем постоянного тока любое число генераторов будет нормально работать.

Из-за того, что сегодня нет достаточно мощных полупроводниковых или иных систем для преобразования напряжения, достаточно эффективного и надежного, большинство ЛЭП по-прежнему работает на переменном токе. По этой причине далее остановимся только на них.

Еще один пункт в классификации линий электропередачи – это их назначение. В связи с этим линии разделяются на

• сверхдальние,
• магистральные,
• распределительные.

Их конструкция принципиально отличается из-за разных величин напряжения. Так, в сверхдальних ЛЭП, являющихся системообразующими, применяются самые высокие напряжения, которые только существуют на нынешнем этапе развития техники. Величина в 500 кВ для них является минимальной. Это объясняется значительным удалением друг от друга мощных электростанций, каждая из которых – это основа отдельной энергосистемы.

Внутри нее существует своя распределительная сеть, задача которой – обеспечение больших групп конечных потребителей. Они присоединены к распределительным подстанциям с напряжением 220 или 330 кВ на высокой стороне. Эти подстанции являются конечными потребителями для магистральных ЛЭП. Поскольку энергетический поток уже вплотную приблизился к поселениям, напряжение необходимо уменьшить.

Распределение электроэнергии выполняют ЛЭП, напряжение которых 20 и 35 кВ для жилого сектора, а также 110 и 150 кВ – для мощных промышленных объектов. Следующий пункт классификации линий электропередачи – по классу напряжения. По этому признаку ЛЭП можно опознать визуально. Для каждого класса напряжения характерны соответствующие изоляторы. Их конструкция – это своего рода удостоверение линии электропередачи. Изоляторы изготавливаются увеличением числа керамических чашек соответственно увеличению напряжения. А его классы в киловольтах (включая напряжения между фазами, принятые для стран СНГ) такие:

• 1 (380 В);
• 35 (6, 10, 20);
• 110…220;
• 330…750 (500);
• 750 (1150).

Помимо изоляторов, отличительными признаками являются провода. С увеличением напряжения все больше проявляется эффект электрического коронного разряда. Это явление отбирает энергию и уменьшает эффективность электроснабжения. Поэтому для ослабления коронного разряда с увеличением напряжения, начиная с 220 кВ, используются параллельные провода – по одному на каждые примерно 100 кВ. Некоторые из воздушных линий (ВЛ) разных классов напряжения показаны далее на изображениях:

Опоры ЛЭП и другие заметные элементы

Для того чтобы провод надежно удерживался, применяются опоры. В простейшем случае это деревянные столбы. Но такая конструкция применима лишь к линиям до 35 кВ. А с увеличением ценности древесины в этом классе напряжений все больше используются опоры из железобетона. По мере увеличения напряжения провода необходимо поднимать выше, а расстояние между фазами делать больше. В сравнении опоры выглядят так:

В общем, опоры – это отдельная тема, которая довольно-таки обширна. По этой причине в детали темы опор линий электропередачи здесь углубляться не будем. Но чтобы кратко и емко показать читателю ее основу, продемонстрируем изображение:

В заключение информации о воздушных ЛЭП упомянем те дополнительные элементы, которые встречаются на опорах и хорошо заметны. Это

• системы защиты от молнии,
• а также реакторы.

Кроме перечисленных элементов, в линиях электропередачи применяется еще несколько. Но оставим их за рамками статьи и перейдем к кабелям.

Кабельные линии

Воздух – это изолятор. На этом его свойстве основаны воздушные линии. Но существуют и другие более эффективные материалы-изоляторы. Их применение позволяет намного уменьшить расстояния между фазными проводниками. Но цена такого кабеля получается настолько велика, что не может быть и речи о его использовании вместо воздушных ЛЭП. По этой причине кабели прокладывают там, где есть трудности с воздушными линиями.

Воздушные линии (ВЛ) служат для передачи электроэнергии по проводам, проложенным на открытом воздухе и закрепленным на специальных опорах или кронштейнах инженерных сооружений с помощью изоляторов и арматуры. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода, защитные тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. В городских условиях ВЛ получили наибольшее распространение на окраинах, а также в районах застройки до пяти этажей. Элементы ВЛ должны обладать достаточной механической прочностью, поэтому при их проектировании, кроме электрических, делают и механические расчеты для определения не только материала и сечения проводов, но и типа изоляторов и опор, расстояния между проводами и опорами и т. д.

В зависимости от назначения и места установки различают следующие виды опор:

промежуточные, предназначенные для поддержания проводов на прямых участках линий. Расстояние между опорами (пролеты) составляет 35-45 м для напряжения до 1000 В и около 60 м для напряжения 6-10 кВ. Крепление проводов здесь производится с помощью штыревых изоляторов (не наглухо);

анкерные, имеющие более жесткую и прочную конструкцию, чтобы воспринимать продольные усилия от разности тяжения по проводам и поддерживать (в случае обрыва) все оставшиеся в анкерном пролете провода. Эти опоры устанавливаются также на прямых участках трассы (с пролетом около 250 м для напряжения 6-10 кВ) и на пересечениях с различными сооружениями. Крепление проводов на анкерных опорах производится наглухо к подвесным или штыревым изоляторам;

концевые, устанавливаемые в начале и в конце линии. Они являются разновидностью анкерных опор и должны выдерживать постоянно действующее одностороннее тяжение проводов;

угловые, устанавливаемые в местах изменения направления трассы. Эти опоры укрепляются подкосами или металлическими оттяжками;

специальные или переходные, устанавливаемые в местах пересечений ВЛ с сооружениями или препятствиями (реками, железными дорогами и т. п.). Они отличаются от других опор данной линии по высоте или конструкции.

Для изготовления опор применяют дерево, металл или железобетон.

Деревянные опоры в зависимости от конструкции могут быть:

одинарными;

А-образными, состоящими из двух стоек, сходящихся у вершины и расходящихся у основания;

трехногими, состоящими из трех сходящихся к вершине и расходящихся у основания стоек;

П-образными, состоящими из двух стоек, соединенных вверху горизонтальной траверсой;

АП-образными, состоящими из двух А-образных опор, соединенных горизонтальной траверсой;

составными, состоящими из стойки и приставки (пасынка), присоединяемой к ней бандажом из стальной проволоки.

Для увеличения срока службы деревянные опоры пропитывают антисептиками, значительно замедляющими процесс гниения древесины. В эксплуатации антисептирование проводится путем наложения антисептического бандажа в местах, подверженных гниению, с промазыванием антисептической пастой всех трещин, мест сопряжений и врубок.

Металлические опоры изготавливают из труб или профильной стали, железобетонные - в виде полых круглых или прямоугольных стоек с уменьшающимся сечением к вершине опоры.

Для крепления проводов ВЛ к опорам применяются изоляторы и крюки, а для крепления к траверсе - изоляторы и штыри. Изоляторы могут быть фарфоровыми или стеклянными штыревого или подвесного (в местах анкерного крепления) исполнения (рис. 1, а-в). Их прочно навертывают на крюки или штыри с помощью специальных полиэтиленовых колпачков или пакли, пропитанной суриком или олифой.

Рисунок 1. а - штыревой 6-10 кВ; б - штыревой 35 кВ; в - подвесной; г, д - стержневые полимерные

Изоляторы воздушных линий изготавливаются из фарфора или закаленного стекла - материалов, обладающих высокой механической и электрической прочностью и стойкостью к атмосферным воздействиям. Существенным достоинством стеклянных изоляторов является то, что при повреждении закаленное стекло рассылается. Это облегчает нахождение поврежденных изоляторов на линии.

По конструкции изоляторы разделяют на штыревые и подвесные.

Штыревые изоляторы применяются на линиях напряжением до 1 кВ, 6-10 кВ и, редко, 35 кВ (рис. 1, а, б). Они крепятся к опорам при помощи крюков или штырей.

Подвесные изоляторы (рис. 1, в) используются на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Они состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей части 1, шапки из ковкого чугуна 2, металлического стержня 3 и цементной связки 4. Подвесные изоляторы собирают в гирлянды, которые бывают поддерживающими (на промежуточных опорах) и натяжными (на анкерных опорах). Число изоляторов в гирлянде определяется напряжением линии; 35 кВ - 3-4 изолятора, 110 кВ - 6-8.

Применяются также полимерные изоляторы (рис. 1, г). Они представляют собой стержневой элемент из стеклопластика, на котором размещено защитное покрытие с ребрами из фторопласта или кремнийорганической резины:

К проводам ВЛ предъявляются требования достаточной механической прочности. Они могут быть одно- или многопроволочными. Однопроволочные провода из стали применяются исключительно для линий напряжением до 1000 В; многопроволочные провода из стали, биметалла, алюминия и его сплавов получили преимущественное распространение благодаря повышенной механической прочности и гибкости. Чаще всего на ВЛ напряжением до 6-10 кВ используются алюминиевые многопроволочные провода марки А и стальные оцинкованные провода марки ПС.

Сталеалюминевые провода (рис. 2, в) применяют на ВЛ напряжением выше 1 кВ. Они выпускаются с разным соотношением сечений алюминиевой и стальной частей. Чем меньше это соотношение, тем более высокую механическую прочность имеет провод и поэтому используется на территориях с более тяжелыми климатическими условиями (с большей толщиной стенки гололеда). В марке сталеалюминевых проводов указываются сечения алюминиевой и стальной частей, например, АС 95/16.

Рисунок 2. а - общий вид многопроволочного провода; б - сечение алюминиевого провода; в - сечение сталеалюминевого провода

Провода из сплавов алюминия (АН - не термообработанный, АЖ - термообработанный) имеют большую, по сравнению с алюминиевыми, механическую прочность и практически такую же электрическую проводимость. Они используются на ВЛ напряжением выше 1 кВ в районах с толщиной стенки гололеда до 20 мм.

Провода располагают различными способами. На одноцепных линиях их, как правило, располагают треугольником.

В настоящее время широко используются так называемые самонесущие изолированные провода (СИП) напряжением до 10 кВ. В линии напряжением 380 В провода состоят из несущего неизолированного провода, являющегося нулевым, трех изолированных линейных проводов, одного изолированного провода наружного освещения. Линейные изолированные провода навиты вокруг несущего нулевого провода. Несущий провод является сталеалюминевым, а линейные - алюминиевыми. Последние покрыты светостойким термостабилизированным (сшитым) полиэтиленом (провод типа АПВ). К преимуществам ВЛ с изолированными проводами перед линиями с голыми проводами можно отнести отсутствие изоляторов на опорах, максимальное использование высоты опоры для подвески проводов; нет необходимости в обрезке деревьев в зоне прохождения линии.

Для ответвлений от линий напряжением до 1000 В к вводам в здания используются изолированные провода марки АПР или АВТ. Они имеют несущий стальной трос и изоляцию, стойкую к атмосферным воздействиям.

Крепление проводов к опорам производится различными способами, в зависимости от места их расположения на изоляторе. На промежуточных опорах провода крепят к штыревым изоляторам зажимами или вязальной проволокой из того же материала, что и провод, причем последний в месте крепления не должен иметь изгибов. Провода, расположенные на головке изолятора, крепятся головной вязкой, на шейке изолятора - боковой вязкой.

На анкерных, угловых и концевых опорах провода напряжением до 1000 В крепят закручиванием проводов так называемой «заглушкой», провода напряжением 6-10 кВ - петлей. На анкерных и угловых опорах, в местах перехода через железные дороги, проезды, трамвайные пути и на пересечениях с различными силовыми линиями и линиями связи применяют двойной подвес проводов.

Соединение проводов производят плашечными зажимами, обжатым овальным соединителем, овальным соединителем, скрученным специальным приспособлением. В некоторых случаях применяют сварку с помощью термитных патронов и специального аппарата. Для однопроволочных стальных проводов можно применять сварку внахлестку с использованием небольших трансформаторов. В пролетах между опорами не допускается иметь более двух соединений проводов, а в пролетах пересечений ВЛ с различными сооружениями соединение проводов не допускается. На опорах соединение должно быть выполнено так, чтобы оно не испытывало механических усилий.

Линейная арматура применяется для крепления проводов к изоляторам и изоляторов к опорам и делится на следующие основные виды: зажимы, сцепная арматура, соединители и др.

Зажимы служат для закрепления проводов и тросов и прикрепления их к гирляндам изоляторов и подразделяются на поддерживающие, подвешиваемые на промежуточных опорах, и натяжные, применяемые на опорах анкерного типа (рис. 3, а, б, в).

Рисунок 3. а - поддерживающий зажим; б - болтовой натяжной зажим; в - прессуемый натяжной зажим; г - поддерживающая гирлянда изоляторов; д - дистанционная распорка; е - овальный соединитель; ж - прессуемый соединитель

Сцепная арматура предназначена для подвески гирлянд на опорах и соединения многоцепных гирлянд друг с другом и включает скобы, серьги, ушки, коромысла. Скоба служит для присоединения гирлянды к траверсе опоры. Поддерживающая гирлянда (рис. 3, г) закрепляется на траверсе промежуточной опоры при помощи серьги 1, которая другой стороной вставляется в шапку верхнего подвесного изолятора 2. Ушко 3 используется для прикрепления к нижнему изолятору гирлянды поддерживающего зажима 4.

Соединители применяются для соединения отдельных участков провода. Они бывают овальные и прессуемые. В овальных соединителях провода либо обжимаются, либо скручиваются (рис. 3, е). Прессуемые соединители (рис. 3, ж) применяются для соединения проводов больших сечений. В сталеалюминевых проводах стальная и алюминиевая части опрессовываются раздельно.

Тросы наряду с искровыми промежутками, разрядниками и устройствами заземления служат для защиты линий от грозовых перенапряжений. Их подвешивают над фазными проводами на ВЛ напряжением 35 кВ и выше, в зависимости от района по грозовой деятельности и материала опор, что регламентируется «Правилами устройства электроустановок». Грозозащитные тросы обычно выполняют из стали, но при использовании их в качестве высокочастотных каналов связи - из стали и алюминия. На линиях 35-110 кВ крепление троса к металлическим и железобетонным промежуточным опорам осуществляется без изоляции троса.

Для защиты от грозовых перенапряжений участков ВЛ с пониженным по сравнению с остальной линией уровнем изоляции применяют трубчатые разрядники.

На ВЛ заземляются все металлические и железобетонные опоры, на которых подвешены грозозащитные тросы или установлены другие средства грозозащиты (разрядники, искровые промежутки) линий напряжением 6-35 кВ. На линиях до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью крюки и штыри фазных проводов, устанавливаемые на железобетонных опорах, а также арматура этих опор должны быть присоединены к нулевому проводу.

Какие линии электропередач бывают

Сеть линий электропередач необходима для перемещения и распределения электрической энергии: от ее источников, между населенными пунктами и конечными объектами потребления. Данные линии отличаются большим разнообразием и разделяются:

• по типу размещения проводов – воздушные (расположенные на открытом воздухе) и кабельные (закрытые в изоляцию);
• по назначению – сверхдальние, магистральные, распределительные.

Воздушные и кабельные линии электропередач обладают определенной классификацией, которая зависят от потребителя, рода тока, мощности, используемых материалов.

Воздушные линии электропередач (ВЛ)

К ним относятся линии, которые прокладываются на открытом воздухе над землей с использованием различных опор. Разделение линий электропередач важно для их выбора и обслуживания.

Различают линии:

• по роду перемещаемого тока – переменный и постоянный;
• по уровню напряжения – низковольтные (до 1000 В) и высоковольтные (более 1000 В) линии электропередач;
• по нейтрале – сети с глухозаземленной, изолированной, эффективно-заземленной нейтралью.

Переменный ток

Электрические линии, использующие для передачи переменный ток, внедряются российскими компаниями чаще всего. С их помощью происходит питание систем и перемещение энергии на различные расстояния.

Постоянный ток

Воздушные линии электропередач, обеспечивающие передачу постоянного тока, используются в России редко. Главная причина этого – высокая стоимость монтажа. Кроме опор, проводов и различных элементов для них требуется покупка дополнительного оборудования – выпрямителей и инверторов.

Поскольку большинство потребителей использует переменный ток, при обустройстве таких линий, приходится тратить дополнительный ресурс на преобразование энергии.

Устройство воздушных ЛЭП

Устройство воздушных линий электропередач включают в себя следующие элементы:

• Системы опоры или электрические столбы . Они размещаются на земле или других поверхностях и могут быть анкерными (принимают основную нагрузку), промежуточными (обычно используются для поддержания проводов в пролетах), угловыми (размещаются в местах, где линии проводов меняют направление).
• Провода. Имеют свои разновидности, могут быть выполнены из алюминия, меди.
• Траверсы. Они крепятся на опоры линий и служат основой для монтажа проводов.
• Изоляторы. С их помощью монтируются провода и изолируются друг от друга.
• Системы заземления. Наличие такой защиты необходимо в соответствии с нормами ПУЭ (правилами устройства электроустановок).
• Молниезащита. Ее использование обеспечивает защиту воздушной линии электропередач от напряжения, которое может возникнуть при попадании разряда.

Каждый элемент электрической сети играет важную роль, принимая на себя определенную нагрузку. В некоторых случаях в ней может использоваться дополнительное оборудование.

Кабельные линии электропередач

Кабельные линии электропередач под напряжением в отличие от воздушных не требуют большой свободной площади для размещения. Благодаря наличию изоляционный защиты они могут быть проложены: на территории различных предприятий, в населенных пунктах с плотной застройкой. Единственный недостаток в сравнении с ВЛ – более высокая стоимость монтажа.

Подземные и подводные

Закрытий способ позволяет размещать линии даже в самых сложных условиях – под землей и под водной поверхностью. Для их прокладки могут использоваться специальные тоннели или другие способы. При этом можно применять несколько кабелей, а также различные крепежные детали.

Около электрических сетей устанавливаются специальные охранные зоны. Согласно правилам ПУЭ они должны обеспечить безопасность и нормальные условия эксплуатации.

Прокладка по сооружениям

Прокладка высоковольтных линий электропередач с различным напряжением возможна внутри сооружений. К наиболее часто используемым конструкциям относятся:

• Тоннели. Они представляют собой отдельные помещения, внутри которых кабели располагаются по стенам или на специальных конструкциях. Такие пространства хорошо защищены и обеспечивают легкий доступ к монтажу и обслуживанию линий.
• Каналы. Это готовые конструкции из пластика, железобетонных плит и других материалов, внутри которых располагаются провода.
• Этаж или шахта. Помещения, специально приспособленные для размещения ЛЭП и возможности нахождения там человека.
• Эстакада. Они представляют собой открытые сооружения, которые прокладываются на земле, фундаменте, опорных конструкциях с прикрепленными внутри проводами. Закрытые эстакады называются галереями.
• Размещение в свободном пространстве зданий – зазоры, место под полом.
• Кабельные блок. Кабели прокладываются под землей в специальных трубах и выводятся на поверхность с помощью специальных пластиковых или бетонных колодцев.

Изоляция кабельных ЛЭП

Главным условием при выборе материалов для изоляции ЛЭП является то, что они не должны проводить ток. Обычно в устройстве кабельных линий электропередач используются следующие материалы:

• резина синтетического или природного происхождения (она отличается хорошей гибкостью, поэтому линии из такого материала легко прокладывать даже в труднодоступных местах);
• полиэтилен (достаточно устойчив к воздействию химической или другой агрессивной среды);
• ПВХ (главным преимуществом такой изоляции является доступность, хотя материал по стойкости и различным защитным свойствам уступает другим);
• фторопластовые (отличаются высокой устойчивостью к различным воздействиям);
• материалы на бумажной основе (малоустойчивы к химическим и природным воздействиям, даже при наличии пропитки защитным составом).

Кроме традиционных твердых материалов для таких линий могут применяться жидкостные изоляторы, а также специальные газы.

Классификация по назначению

Еще одной характеристикой, по которой происходит классификация линий электропередач с учетом напряжения, является их назначение. ВЛ принято делить на: сверхдальние, магистральные, распределительные. Они различаются в зависимости от мощности, типа получателя и отправителя энергии. Это могут быть крупные станции или потребители – заводы, населенные пункты.

Сверхдальние

Основным назначением данных линий является связь между различными энергетическими системами. Напряжение в данных воздушных линиях начинается от 500 кВ.

Магистральные

Данный формат ЛЭП предполагает напряжение в сети 220 и 330 кВ. Магистральные линии обеспечивают передачу энергии от электростанций до пунктов распределения. Также они могут использоваться для связи различных электростанций.

Распределительные

К виду распределительных линий относятся сети под напряжением 35, 110 и 150 кВ. С их помощью происходит перемещение электрической энергии от распределительных сетей к населенным пунктам, а также крупным предприятиям. Линии с напряжением менее 20 кВ используются, чтобы обеспечить поставку энергии конечным потребителям, в том числе для подключения электричества к участку .

Строительство и ремонт линий электропередач

Прокладка сетей высоковольтных кабельных линий электропередач и ВЛ – необходимый способ обеспечения энергией любых объектов. С их помощью осуществляется передача электроэнергии на любые расстояния.

Строительство сетей любого назначения представляет собой сложный процесс, который включает в себя несколько этапов:

• Обследование местности.
• Проектирование линий, составление сметы, технической документации.
• Подготовку территории, подбор и закупка материалов.
• Сборку опорных элементов или подготовка к установке кабеля.
• Монтаж или закладывание проводов, подвесных устройств, укрепление ЛЭП.
• Благоустройство территории и подготовка линии к запуску.
• Ввод в эксплуатацию, официальное оформление документации.

Для обеспечения эффективной работы линии требуется ее грамотное техническое обслуживание, своевременный ремонт и при необходимости реконструкция. Все подобные мероприятия должны проводиться в соответствии с ПУЭ (правилами технических установок).

Ремонт электрических линий делится на текущий и капитальный. Во время первого производится контроль за состоянием работы системы, выполняются работы по замене различных элементов. Капитальный ремонт предполагает проведение более серьезных работ, которые могут включать замену опор, перетяжку линий, замену целых участков. Все виды работ определяются в зависимости от состояния ЛЭП.