ГЛАВА ПЕРВАЯ
ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ИХ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
1-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Воздушные линии электропередачи служат для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и закрепляемым при помощи линейной арматуры и изоляторов на опорах, а в отдельных случаях на кронштейнах или стойках инженерных сооружений (мостов, дымовых труб, зданий электростанций и др.).
Расстояния между проводами, между проводами и заземленными частями опор, а также от проводов до поверхности земли следует принимать такими, чтобы при рабочем напряжении линии была исключена возможность электрических разрядов между проводами, с проводов на опору и на наземные сооружения и предметы. Для этого необходимо обеспечить достаточную электрическую прочность изоляторов и воздушных изоляционных промежутков. Изоляторы и воздушные промежутки должны также с большой степенью вероятности исключать электрические разряды при перенапряжениях, которые могут иметь место на линии данного напряжения.
В СССР приняты следующие стандартные напряжения трехфазного тока выше 1000 В (1 кВ): 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ. Наряду с линиями трехфазного тока сооружаются также линии электропередачи постоянного тока: эксплуатируется линия ±400 кВ Волгоград—Донбасс, проектируется линия ±750 кВ Экибастуз—Центр..
Расстояния между проводами, прочность изоляции и воздушные промежутки увеличиваются по мере повышения напряжения линии, поэтому увеличиваются и размеры опор линий.
На линиях напряжением 110 кВ и выше необходимо учитывать потери электрической энергии на корону, связанные с ионизацией воздуха около проводов. Эти потери уменьшаются при увеличении диаметра провода. Поэтому для линий 110 кВ следует принимать провода диаметром не менее 11,3мм (АС-70), для линий 150 кВ — не менее 15,2 мм (АС-120), а для линий 220 кВ — не менее 21,6 мм (АСО-240).
На линиях напряжением 330 кВ и выше для ограничения потерь на корону до приемлемых значений пришлось бы подвешивать провода очень большого диаметра. Потери на корону можно уменьшить, заменяя один провод несколькими параллельными проводами, образующими так называемую расщепленную фазу. На линиях 330 кВ обычно принимают расщепление фазы на два провода, на линиях 500 кВ — на три, а на линиях 750 кВ — на четыре или пять проводов.
На линиях электропередачи подвешиваются алюминиевые, сталеалюминиевые, алдреевые, сталеалдреевые, бронзовые, сталебронзовые, медные и стальные провода. В настоящее время в СССР в большинстве случаев применяются сталеалюминиевые провода. Алюминиевые провода подвешиваются на линиях напряжением до 35 кВ включительно и в отдельных случаях на линиях 110 кВ, стальные провода — на линиях сельскохозяйственной электрификации, передающих небольшие нагрузки, а также на переходах через водные преграды с очень большими пролетами.
Как правило, на стальных и железобетонных опорах линий напряжением 110 кВ и выше закрепляется один или два стальных троса, называемые грозозащитными и предназначенные для защиты проводов от прямых ударов молнии; на стальных и железобетонных опорах линий 35 кВ тросы подвешиваются только на подходах к подстанциям. В некоторых случаях стальные грозозащитные тросы заменяются сталеалюминиевыми.
На воздушных линиях напряжением до 20 кВ включительно провода подвешиваются на штыревых изоляторах, закрепляемых на опорах с помощью крюков или штырей. На линиях напряжением 35 кВ применяются как штыревые, так и подвесные изоляторы; на линиях напряжением 110 кВ и выше — только подвесные изоляторы.
Подвесные изоляторы собираются в гирлянды, состоящие из нескольких шарнирно соединенных тарельчатых изоляторов из фарфора или стекла. В настоящее время в СССР выпускаются фарфоровые подвесные изоляторы типов ПФ6-Б, ПФ6-В,. ПФ16-А, ПФ20-А, стеклянные ПС6-Б, ПС-12А, ПС16-А, ПС16-Б, ПС22-А, ПС30-А и специальные изоляторы для районов с загрязненной, атмосферой. На линиях напряжением 220 кВ и выше рекомендуется применять стеклянные изоляторы.
Тип изоляторов выбирается в зависимости от требуемой механической прочности (цифры в типовых обозначениях показывают гарантированную электромеханическую прочность в тоннах); количество изоляторов в гирлянде принимается в зависимости от напряжения линии, материала опор, степени загрязнения атмосферы, высоты над уровнем моря и других факторов.
По своему назначению гирлянды изоляторов делятся на поддерживающие и натяжные, а по количеству, параллельно подвешиваемых гирлянд на одноцепные, двухцепные и многоцепные. Как правило, поддерживающие гирлянды выполняются одноцепными, натяжные гирлянды — одноцепными или двухцепными. Для подвески проводов расщепленных фаз обычно применяются одноцепные поддерживающие гирлянды, а натяжные гирлянды многоцепные, по числу проводов расщепленной фазы по одной для каждого провода. На больших переходах провода подвешиваются обычно на многоцепных гирляндах.
Зажимы, в которых закрепляются провода, подразделяются в соответствии с назначением на поддерживающие и натяжные. Поддерживающие зажимы делятся по конструктивному исполнению на глухие, с ограниченной прочностью заделки, и многороликовые подвесы.
Подвеска грозозащитного троса на опорах осуществляется в глухих поддерживающих и в натяжных зажимах, в особых случаях — на многороликовых подвесах. На линиях напряжением до 150 кВ включительно поддерживающие зажимы подвешиваются на опорах при помощи сцепной арматуры, на линиях напряжением 220 кВ и выше — через изолятор, шунтируемый искровым промежутком; натяжные зажимы подвешиваются через изолятор независимо от напряжения линии. На опорах должны быть предусмотрены стержни или отверстия для крепления зажима, в котором закрепляется конец троса или отходящий от троса шунт.
Требования, предъявляемые к проектированию и сооружению линий электропередачи и их элементов как электроустановок, определяются действующими Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) [43]. Проектирование и сооружение опор и фундаментов линий как строительных конструкций производится на основании Строительных норм и правил (СНиП) [66].
Воздушные линии сооружаются в районах с различными климатическими условиями, влияющими на выбор конструктивных элементов линий, в частности опор и фундаментов. В ПУЭ даются указания для выбора расчетных климатических условий, в соответствии с которыми определяются расчетные нагрузки (см. §1-5).
Основными климатическими факторами, определяющими нагрузки, являются ветер и гололед. Долголетние наблюдения позволили установить для территории СССР границы ветровых и гололедных районов, различающихся скоростью ветра и интенсивностью гололедных образований. Согласно ПУЭ районы гололедности определяются в зависимости от толщины стенки наблюдаемого гололеда, приведенного к цилиндрической форме и удельному весу 0,9: к I району относятся местности с толщиной стенки 0,5 см, ко II — 1 см, к III—1,5 см, к IV — 2 см. Местности с толщиной стенки более 2 см относятся к особому гололедному району. При проектировании линий электропередачи ветровые и гололедные районы определяются по карте или при необходимости по уточненным данным наблюдений (см. § 1-5).
На воздушных линиях переменного трехфазного тока подвешивается не менее трех проводов, составляющих одну цепь, на линиях электропередачи постоянного тока — не менее двух проводов.
По количеству цепей линии электропередачи делятся на одноцепные, двухцепные и многоцепные. Количество цепей определяется схемой энергоснабжения в зависимости от передаваемой мощности, напряжения электропередачи и необходимости резервирования. Если по схеме энергоснабжения требуется две цепи, то эти цепи могут быть подвешены на двух отдельных одноцепных линиях с одноцепными опорами или на одной двухцепной линии с двухцепными опорами.
Как правило, одна двухцепная линия дешевле, чем две параллельные одноцепные линии, и может быть сооружена в более короткий срок. При выборе двух одноцепных или одной двухцепной линии следует также учитывать, что для сооружения двух одноцепных линий требуется больше места, так как расстояние между осями двух параллельно проходящих линий должно быть не меньше высоты опоры; уменьшение этого расстояния допускается только на участках стесненной трассы.
До настоящего времени в СССР опоры с подвеской более двух цепей не применялись. В зарубежной линейной практике в связи с дороговизной земельных участков многоцепные опоры применяются довольно часто как для подвески нескольких цепей линий различного напряжения, так и для линий одного напряжения — главным образом в стесненных условиях прохождения, например на территории городов, пригородов или заводов. При увеличении количества линий многоцепные опоры могут оказаться необходимыми и в СССР, особенно на подходах к подстанциям в городской черте.
В настоящей книге рассматриваются конструкции металлических и железобетонных опор линий электропередачи и их фундаменты.
Конструкциям деревянных опор посвящена книга А. А. Глазунова [13], современные конструкции деревянных опор и применяемые в настоящее время методы их расчета изложены в [33].
По конструктивному выполнению металлические и железобетонные опоры можно разделить на свободностоящие (рис. 1-1, 1-2) и опоры на оттяжках (рис. 1-3). Оттяжки опор обычно выполняются из стальных тросов.
Металлические опоры, изготовляемые главным образом из стали, состоят из ствола 1, траверс 2 и тросостойки 3 (рис. 1-1). Как правило, на высоковольтных воздушных линиях применяются стальные опоры решетчатой конструкции: ствол такой опоры состоит из поясов 5, раскосов 7 и распорок 9. Траверсы состоят из поясов 5, тяг 5, раскосов и распорок в решетках граней; иногда вместо тяг применяются подкосы 4.
Рис. 1-1. Двухцепная стальная промежуточная опора 330 кВ
Рис. 1-2. Двухцепная железобетонная опора 110 кВ
Для обеспечения жесткости конструкции и равномерной работы граней опоры при действии крутящих моментов в опорах устанавливают диафрагмы 10. Часть пояса между точками крепления двух соседних раскосов или распорок в одной грани называется панелью.
Металлические опоры могут быть изготовлены также из алюминиевых сплавов; элементы этих опор те же, что и элементы стальных опор.
Металлические опоры устанавливаются на фундаменты. В ряде случаев вместо фундаментов и анкерных плит используются сваи. В отечественной практике применяются в основном железобетонные фундаменты и сваи заводского изготовления. В отдельных случаях при больших нагрузках на фундаменты и особенно в слабых грунтах предусматриваются монолитные железобетонные или бетонные фундаменты, сооружаемые на трассе.
Железобетонные опоры изготовляются одностоечными свободностоящими (рис. 1-2) или на оттяжках (например, портальные — рис. 1-3). Опоры состоят из одной или двух стоек 1, траверс 2 и тросостоек 3. Изготовляются также одностоечные опоры на оттяжках. В специальных случаях применяются опоры, состоящие из трех стоек.
Рис. 1-3. Одноцепная портальная железобетонная опора 300 кВ на оттяжках
Стойки железобетонных опор (иногда называемые стволами) выполняются обычно в виде цельных конических или цилиндрических железобетонных труб, изготавливаемых центробежным способом на специальных машинах — центрифугах. В ряде случаев изготовляются вибрированные железобетонные опоры сплошного сечения, имеющего вид квадрата, прямоугольника или открытого профиля, например двутаврового.
Траверсы и тросостойки одностоечных железобетонных опор (рис. 1-2) обычно выполняются стальными; траверсы портальных опор (рис. 1-3) — железобетонными, тросостойки — стальными.
Одностоечные железобетонные опоры (рис. 1-2), как правило, закрепляются в грунте непосредственно в котлованах, просверленных буровой машиной, т. е. в грунте с ненарушенной структурой. При слабых грунтах, а также при действии значительных изгибающих или крутящих моментов закрепление опор в грунте усиливается с помощью специальных железобетонных брусьев, называемых ригелями. Железобетонные опоры с оттяжками (портального типа или одностоечные) обычно устанавливаются на железобетонные фундаменты (рис. 1-3) или на сваи, оттяжки закрепляются на анкерных плитах 4. В некоторых случаях стойки железобетонных опор с оттяжками устанавливаются непосредственно в грунте без фундаментов.
При большом объеме строительства линий электропередачи в СССР ряд линий сооружается в одинаковых или примерно одинаковых расчетных условиях. Разработка индивидуальных проектов конструкций для каждой линии нецелесообразна из-за больших трудозатрат, а также из-за неудобства заводского изготовления и строительства разнотипных конструкций. Поэтому в настоящее время в СССР при сооружении большей части линий применяются типовые или унифицированные конструкции опор и фундаментов, позволяющие индустриализировать строительство; индивидуальные конструкции выполняются лишь в редких, специальных случаях.
