 |
Лабораторная работа №1 Изучение конструкции воздушных линий электропередачи и методики расчета ее проводов.
|
|
|
|
Воздушной линией (ВЛ) называется устройство для передачи электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным с помощью изоляторов и арматуры к опорам.
На рис. 1.1 показан фрагмент ВЛ. Расстояние l между соседними опорами называется пролетом. Расстояние по вертикали между прямой линией, соединяющей точки подвеса провода, и низшей точкой его провисания называется стрелой провеса провода fп. Расстояние от низшей точки провисания провода до поверхности земли называется габаритом воздушной линии hг. В верхней части опор закрепляется грозозащитный трос.
Величина габарита линии hг регламентируется ПУЭ в зависимости от напряжения ВЛ и вида местности (населенная, ненаселенная, труднодоступная). Длина гирлянды изоляторов λ и расстояние между проводами соседних фаз hп-п определяются номинальным напряжением ВЛ. Расстояние между точками подвеса верхнего провода и троса hп-т регламентируется ПУЭ исходя из требования надежной защиты проводов ВЛ от прямых ударов молнии. Для обеспечения экономичной и надежной передачи электроэнергии необходимы проводниковые материалы, обладающие высокой электрической проводимостью (низким сопротивлением) и высокой механической прочностью. В конструктивных элементах систем электроснабжения в качестве таких материалов используются медь, алюминий, сплавы на их основе, сталь.
Рисунок 1.1 – Фрагмент воздушной линии электропередачи
Медь имеет низкое сопротивление и достаточно высокую прочность. Ее удельное активное сопротивление ρ = 0,018 Ом.мм2/м, а предельное сопротивление на разрыв - 360 МПа. Однако это дорогой и дефицитный металл. Поэтому медь применяется, как правило, для выполнения обмоток трансформаторов, реже - для жил кабелей и практически не применяется для проводов воздушных линий.
|
|
|
Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше, предельное сопротивление на разрыв в 2,5 раза меньше, чем у меди. Большая распространенность алюминия в природе и меньшая, чем у меди, стоимость обусловили его широкое применение для проводов ВЛ.
Сталь обладает большим сопротивлением и высокой механической прочностью. Ее удельное активное сопротивление ρ = 0,13 Ом.мм2/м, а предельное сопротивление на разрыв - 540 МПа. Поэтому в системах электроснабжения сталь используется, в частности, для увеличения механической прочности алюминиевых проводов, изготовления опор и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи.
Провода ВЛ служат непосредственно для передачи электроэнергии и различаются по конструкции и используемому проводниковому материалу. Наиболее экономически целесообразным материалом для проводов ВЛ является алюминий и сплавы на его основе.
Медные провода для ВЛ применяются исключительно редко и при соответствующем технико-экономическом обосновании. Медные провода используются в контактных сетях подвижного транспорта, в сетях специальных производств (шахт, рудников), иногда при прохождении ВЛ вблизи морей и некоторых химических производств.
Стальные провода для ВЛ не применяются, поскольку имеют большое активное сопротивление и подвержены коррозии. Применение стальных проводов оправдывается при выполнении особенно больших пролетов ВЛ, например при переходе ВЛ через широкие судоходные реки.
Сечения проводов соответствуют ГОСТ 839-74. Шкала номинальных сечений проводов ВЛ составляет следующий ряд, мм2:
1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 1000.
По конструктивному выполнению провода ВЛ делятся:
на однопроволочные;
многопроволочные из одного металла (монометаллические);
|
|
|
многопроволочные из двух металлов;
самонесущие изолированные.
Однопроволочные провода, как следует из названия, выполняют из одной проволоки (рис. 1.2,а). Такие провода выполняются небольших сечений до 10 мм2 и используются иногда для ВЛ напряжением до 1 кВ.
Многопроволочные монометаллические провода выполняются сечением более 10 мм2. Эти провода изготовляются свитыми из отдельных проволок. Вокруг центральной проволоки выполняется повив (ряд) из шести проволок такого же диаметра (см. рисунок 1.2,б). Каждый последующий повив имеет на шесть проволок больше, чем предыдущий. Скрутку соседних повивов выполняют в разные стороны для предотвращения раскручивания проволок и придания проводу более круглой формы.
Количество повивов определяется сечением провода. Провода сечением до 95 мм2 выполняются с одним повивом, сечением 120… 300 мм2 - с двумя повивами, сечением 400 мм2 и более - с тремя и более повивами. Многопроволочные провода по сравнению с однопроволочными более гибкие, удобные для монтажа, надежные в эксплуатации.
Для придания проводу большей механической прочности многопроволочные провода изготовляют со стальным сердечником 1 (см. рисунок 1.2,в,г,д). Такие провода называются сталеалюминиевыми. Сердечник выполняется из стальной оцинкованной проволоки и может быть однопроволочным (см. рисунок 1.2,в) и многопроволочным (см. рисунок 1.2,г). Общий вид сталеалюминиевого провода большого сечения с многопроволочным стальным сердечником показан на рисунке 1.2,д
Рисунок 1.2 – Конструкции неизолированных проводов ВЛ
Сталеалюминиевые провода широко применяются для ВЛ напряжением выше 1 кВ. Эти провода выпускаются различных конструкций, отличающихся соотношением сечений алюминиевой и стальной частей. Для обычных сталеалюминиевых проводов это соотношение приблизительно равно шести, для проводов облегченной конструкции - восьми, для проводов усиленной конструкции -четырем. При выборе того или иного сталеалюминиевого провода учитывают внешние механические нагрузки на провод такие, как гололед и ветер.
Провода, в зависимости от используемого материала, маркируются следующим образом: М - медный, А - алюминиевый,
|
|
|
АН, АЖ - из сплавов алюминия (имеют большую механическую прочность, чем провод марки А);
АС - сталеалюминиевый;
АСО - сталеалюминиевый облегченной конструкции;
АСУ - сталеалюминиевый усиленной конструкции.
В цифровом обозначении провода указывается его номинальное сечение. Например, А95 это алюминиевый провод с номинальным сечением 95 мм2. В обозначении сталеалюминиевых проводов может дополнительно указываться сечение стального сердечника.
Например, АСО240/32 - сталеалюминиевый провод облегченной конструкции с номинальным сечением алюминиевой части 240 мм2 и сечением стального сердечника 32 мм2.
Стойкие к коррозии алюминиевые провода марки АКП и сталеалюминиевые провода марок АСКП, АСКС, АСК имеют межпроволочное пространство, заполненное нейтральной смазкой повышенной термостойкости, противодействующей появлению коррозии. У проводов АКП и АСКП такой смазкой заполнено все межпроволочное пространство, у провода АСКС - только стальной сердечник, у провода АСК стальной сердечник заполнен нейтральной смазкой и изолирован от алюминиевой части двумя полиэтиленовыми лентами. Провода АКП, АСКП, АСКС, АСК применяются для ВЛ, проходящих вблизи морей, соленых озер и химических предприятий.
Самонесущие изолированные провода (СИП) применяются для ВЛ напряжением до 20 кВ. При напряжениях до 1 кВ (см. рисунок 1.3,а) такой провод состоит из трех фазных многопроволочных алюминиевых жил 1. Четвертая жила 2 является несущей и одновременно нулевой. Фазные жилы скручены вокруг несущей таким образом, чтобы вся механическая нагрузка воспринималась несущей жилой, изготовляемой из прочного алюминиевого сплава АВЕ.
а) б)
Рисунок 1.3 – Самонесущие изолированные провода
Фазная изоляция 3 выполняется из термопластичного светостабилизированного или сшитого светостабилизированного полиэтилена.
Благодаря своей молекулярной структуре, такая изоляция обладает очень высокими термомеханическими свойствами и большой стойкостью к воздействию солнечной радиации и атмосферы. В некоторых конструкциях СИП нулевая несущая жила выполняется с изоляцией.
|
|
|
Конструкция СИП для напряжений выше 1 кВ приведена на рисунке 1.3,б.
Такой провод выполняется однофазным и состоит из токоведущей сталеалюминиевой жилы 1 и изоляции 2, выполненной из сшитого светостабилизированного полиэтилена.
ВЛ с СИП по сравнению с традиционными ВЛ имеют следующие преимущества:
меньшие потери напряжения (улучшение качества электроэнергии), благодаря меньшему, приблизительно в три раза, реактивному сопротивлению трехфазных СИП;
не требуют изоляторов;
практически отсутствует гололедообразование;
допускают подвеску на одной опоре нескольких линий различного напряжения;
меньшие расходы на эксплуатацию, благодаря сокращению, приблизительно на 80%, объемов аварийно-восстановительных работ;
возможность использования более коротких опор благодаря меньшему допустимому расстоянию от СИП до земли;
уменьшение охранной зоны, допустимых расстояний до зданий и сооружений, ширины просеки в лесистой местности;
практическое отсутствие возможности возникновения пожара в лесистой местности при падении провода на землю;
высокая надежность (5-кратное снижение числа аварий по сравнению с традиционными ВЛ);
полная защищенность проводника от воздействия влаги и коррозии.
Стоимость ВЛ с самонесущими изолированными проводами выше, чем традиционных ВЛ.
Провода ВЛ напряжением 35 кВ и выше защищаются от прямого удара молнии грозозащитным тросом, закрепляемым в верхней части опоры (см. рисунок 1.1).
Грозозащитные тросы являются элементами ВЛ, аналогичными по своей конструкции многопроволочным монометаллическим проводам. Тросы выполняют из стальных оцинкованных проволок. Номинальные сечения тросов соответствуют шкале номинальных сечений проводов. Минимальное сечение грозозащитного троса 35 мм2.
При использовании грозозащитных тросов в качестве высокочастотных каналов связи вместо стального троса используется сталеалюминиевый провод с мощным стальным сердечником, сечение которого соизмеримо или больше сечения алюминиевой части.
ВЛ работает в естественных климатических условиях и подвергается ветровым и гололедным нагрузкам, изменениям температуры окружающего воздуха, воздействию грозы. Все климатические условия фиксируются на метеостанциях. На основании статистических данных метеостанций вся территория страны разделена на районы:
по толщине стенки гололеда (пять районов);
скоростным напорам ветра (семь районов);
среднегодовой продолжительности гроз;
пляске проводов - колебаниям проводов с большой амплитудой и малой частотой под воздействием ветровых и гололедных нагрузок (три района).
|
|
|
Карты районирования территории страны приводятся в ПУЭ.
В каждом районе фиксируются значения низшей и высшей температур воздуха, значения температур при максимальной скорости ветра, интенсивном гололедообразовании, грозе, рассчитывается среднегодовая температура.
При проектировании ВЛ необходимо учитывать климатические условия района, где будет сооружаться линия.
Одним из важных моментов проектирования ВЛ является расчет проводов и тросов на механическую прочность. Расчет опор и других элементов ВЛ (изоляторов, арматуры), как правило, не производится. Эти элементы, в частности опоры, выбираются из унифицированного ряда с учетом климатических условий района сооружения ВЛ. Для каждой унифицированной опоры в справочных материалах указываются ее размеры и область применения.
Под расчетом проводов и тросов ВЛ на механическую прочность понимается определение механического напряжения в проводах и тросах при различных сочетаниях климатических условий и сопоставление этих напряжений с допустимыми значениями. Расчеты проводов и тросов имеют много общего, поэтому ниже под термином "провод" будет подразумеваться и трос, а отличительные особенности расчета троса будут рассмотрены в п. 2.5.
Основными факторами, влияющими на механическое напряжение в проводе, являются:
температура окружающего воздуха;
гололедные нагрузки;
ветровые нагрузки.
При изменении температуры воздуха меняется внутреннее механическое напряжение в проводе за счет изменения длины провода в пролете. Гололед и ветер влияют на механическое напряжение в проводе за счет внешнего механического воздействия.
Для ВЛ применяются, главным образом, сталеалюминиевые провода. Физико-механические характеристики алюминия и стали существенно отличаются. В практических инженерных расчетах сталеалюминиевых проводов используются эквивалентные физико-механические характеристики, приведенные к проводу в целом:
модуль упругости Е;
температурный коэффициент линейного удлинения α;
механическое напряжение σ.
|
|
|
