Актуальность темы данной работы не вызывает сомнений, так как электрическая энергия универсальна: она удобна для дальних передач, легко распределяется по отдельным потребителям и с помощью сравнительно несложных устройств преобразуется в другие виды энергии. Эти задачи решает энергетическая система, где осуществляются преобразование энергии топлива или падающей воды в электрическую энергию, трансформация токов и напряжений, распределение, а также передача электрической энергии потребителям.
Для создания линий электропередачи наиболее эффективной технологией на сегодня представляется передача электроэнергии по воздушным линиям постоянного тока сверхвысокого напряжения, передача электроэнергии по подземным линиям с газовой изоляцией, а в перспективе - создание кабельных криогенных линий и передача энергии на сверхвысоких частотах по волноводам. Часть энергетической системы, включающую трансформаторные подстанции (ТП) и линии электропередачи (ЛЭП), называют электрической сетью.
Таким образом, электрическая сеть служит для передачи электрической энергии от мест производства к местам потребления и для распределения ее по группам и отдельным потребителям.
Электрические сети классифицируют по различным признакам.
В зависимости от напряжения между проводами линии различают сети напряжением до 1000 и свыше 1000 В.
По роду тока различают электрические сети постоянного, однофазного и трехфазного токов.
В зависимости от конструктивных особенностей бывают воздушные и кабельные сети, а также сети внутри зданий и объектов.
Основные требования, предъявляемые к электрическим сетям, сводятся к экономии электротехнических материалов и снижению первоначальных затрат при гарантированной надежности электросети и высоком качестве электроэнергии. Для удовлетворения этих требований разработан ряд мероприятий, к которым относятся, в частности, применение повышенных напряжений стальных проводов, регулирование напряжения.
Электрические воздушные линии (ВЛЭП) предназначены для передачи и распределения электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным к различным опорным конструкциям.
Воздушные линии электропередачи могут быть с напряжением до 1 кВ включительно и выше 1 кВ (3, 6, 10 кВ и выше по шкале стандартных напряжений). Воздушные линии состоят из основных конструктивных элементов: опор различного типа для подвески проводов и грозозащитных тросов; проводов различных конструкций и сечений для передачи по ним электрического тока; грозозащитных тросов для защиты линий от грозовых разрядов; изоляторов, собранных в гирлянды, для изоляции проводов от заземленных частей опоры; линейной арматуры для крепления проводов и тросов к изоляторам и опорам, а также для соединения проводов и тросов; заземляющих устройств для отвода токов грозовых разрядов или короткого замыкания в землю.
Проектирование и сооружение ВЛЭП ведется в соответствии с ПУЭ. Проектирование строительных конструкций опор, фундаментов производится на основании СНиП. ПУЭ устанавливают требования к линиям с различным напряжением исходя из их назначения: чем выше передаваемые напряжение и мощность линии, тем больший ущерб приносит ее повреждение, поэтому к линиям с наиболее высоким напряжением предъявляются и более строгие требования.
В условиях увеличения потребностей в качественной электроэнергии задача разработки и внедрения систем обнаружения и борьбы с хищениями электроэнергии на предприятиях является очень актуальной. В процессе проектирования должны предусматриваться кратчайшие сроки выполнения работ, необходимая гибкость системы. Поэтому, проектная задача является более сложной, чем расчетная. Известно, еще, что в последние годы многие города сталкиваются с проблемой ограниченной пропускной способности ЛЭП. Для удовлетворения всё более растущих потребностей электро-сетевые компании вынуждены постоянно модифицировать существующие сети, применяя следующие классические методы:
- строительство дополнительных ЛЭП;
- замена проводов на большие поперечные сечения;
- повышение напряжения;
- расщепление фазы.
Несмотря на то, что эти методы иногда можно применить, у всех них есть существенные недостатки. Первое решение требует значительных вложений, времени и получения разрешений на установку новых линий. Второе оказывается не всегда возможным, поскольку сталеалюминиевый провод большего сечения обладает такой массой, на которую старые опоры часто не рассчитаны, что в конечном итоге приводит к необходимости установки новых опор ЛЭП большего размера.
Отсюда возникает уже актуальная необходимость существенного повышения передаваемой мощности воздушных линий, по возможности, избегая строительства новых линий, полной перестройки существующих линий, подвески новых цепей. В настоящее время, существуют решения, не имеющее недостатков вышеописанных методов.
Все эти решения обеспечивают увеличение пропускной токовой способности имеющихся линий за счёт применения специальных проводов.
Целью данной работы является - изучение устройства, технического обслуживания, эксплуатации и ремонта высоковольтных воздушных ЛЭП.
Задачи, поставленные перед написанием данной работы:
- Определить понятие, характеристика и устройство ЛЭП;
- Изложить классификацию и виды высоковольтных воздушных ЛЭП;
- Определить требования к конструкциям и опорам ЛЭП;
- Изложить все требования к конструкциям и опорам ЛЭП;
- Проанализировать эксплуатацию и ремонт высоковольтных ЛЭП.
Значительный вклад в разработку теоретических и методологических основ организации ремонтных схем при эксплуатации ВЛ, в формирование существующих правил, норм/стандартов по эксплуатации электроустановок внесли советские электроэнергетики и ученые: В.А. Веников., М.В. Костенко., П.А. Долин., Р.Н. Карякин., М.И. Михайлов., Ф.Х. Халилов, а также инженеры И.Г. Барг., Р.А. Гаджиев., А.А. Шарандин, и другие авторы.
Дальнейшее развитие теория и практические методы эффективной эксплуатации ВЛ получили в работах современных ученых-энергетиков А.Ф. Дьякова., Б.А. Дядищева., В.И. Глушко., Ю.В. Целебровского., О.Е. Ямного, А.Л. Куликова., В.А. Савельева., Ю.С. Белякова., А.Ю. Хренникова., и др.
Методы исследования. При выполнении работы, в целях достижения полноты и всесторонности получаемых результатов исследования объекта и протекающих в нем процессов, были использованы принципы системного подхода, методы фундаментальных и современных прикладных наук: теории рядов и пределов функций, теоретические основы электротехники, методы математического и физического моделирования.
Достоверность и обоснованность результатов настоящей работы подтверждаются соответствием полученных теоретических выводов с основными положениями фундаментальных и прикладных наук, а также согласованием экспериментальных данных и проведенных измерений на ВЛ с установленными нормами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Обоснована недостаточность учитываемых источников опасных напряжений при ремонтах ВЛ.
- Установлена зависимость зоны безопасного выполнения работ от схем заземления ВЛ и грозозащитного троса, отличающаяся тем, что учитываются наличие локальных и распределенных источников напряжения прикосновения, проводится расчетная оценка вынесенного потенциала ВЛ.
- Определена классификация уровней наведенного напряжения на проводах, эксплуатируемых и строящихся ВЛ, основанная на распределении потенциалов на проводах, зависящая от схемы заземления и отличающаяся полнотой возможных вариантов проявления наведенного напряжения.
- Выявлены особенности проявления напряжения: зависимость уровня напряжения от степени асимметрии фаз на влияющих ВЛ.
- Обосновано наличие особой зоны для заземляющего устройства опор ВЛ - зоны выравнивания потенциала заземляющего устройства, в пределах которой проявляется его защитная функция.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
- Выявленные недостатки существующей нормативной базы, влияющие на безопасность проведения ремонтных работ на ВЛ, позволяют уточнить критерии оценки источников опасных напряжений прикосновения.
- Установленная зависимость наведенного напряжения именно от схемы заземления и разработанная классификация уровней наведенного напряжения на проводах действующих и строящихся ВЛ позволяют комплексно подойти к анализу ремонтных схем и обучению персонала.
- Показана высокая важность учета влияющих параметров схем заземления грозозащитного троса при разработке ремонтных схем ВЛ электротехнических комплексов с гальванической (кондуктивной) связью с локальными и протяженными источниками высокого напряжения.
- Установленная зависимость тангенса угла наклона на графике распределения потенциала проводов ремонтируемой ВЛ от параметров, количества и места расположения заземляющих устройств при воздействии на них продольной наведенной ЭДС является необходимым фактором для оценки безопасной зоны при проведении ремонтных работ на ВЛ.
- Разработанный критерий определения зон эффективной защиты заземляющего устройства опор необходим при подготовке безопасной ремонтной схемы ВЛ и в производстве работ.
Структура работы имеет традиционный вид, и включает в себя: введение, две главы, в каждой 3 и 4 параграфа соответственно, заключение, список используемых источников, и 3х приложений.
Глава 1. Теоретические основы высоковольтных воздушных ЛЭП
1.1 Понятие, характеристика и устройство ЛЭП
В правилах технической эксплуатации электроустановок потребителей есть точное определение. Итак, ЛЭП - это, во-первых, электрическая линия. Во-вторых, это участки проводов, которые выходят за пределы подстанций и электрических станций. И в-третьих, основное назначение линий электропередач - это передача электрического тока на расстоянии [21, с. 17].
Высоковольтные линии электропередач обычно устанавливаются вдоль крупных трасс или по незаселенным территориям. Такой подход повышает безопасность, упрощает устройство и техническое обслуживание ЛЭП.
Передается по ЛЭП напряжение переменного тока, оно обеспечивает большее расстояние передачи по сравнению с постоянным. Значение выбирается исходя из дальности, например, между городами и объектами крупных предприятий ставятся системы на 35-150 кВ, внутри населенных пунктов до 20 кВ. Магистральные же ЛЭП работают под напряжением порядка 220-500 кВ., которые предназначены для соединения городских энергосистем со станцией, генерирующей электричество.
Между специалистами применяется ряд специфических терминов:
- Трасса - ось прокладки ЛЭП, проходящая по поверхности земли;
- Пикет - отрезок трассы с одинаковыми характеристиками (нулевым называют начало линии ЛЭП, а их установку пикетажом);
- Пролет - расстояние между центрами близстоящих опор;
- Стрела провеса - дельта между наиболее нижней точкой провеса кабеля и горизонтальной линией между опорами [21, с. 19-21].
Также используется термин «габарит провода». Он означает расстояние между провисшим кабелем и верхней точкой сооружений, расположенных под ним. Перечисленные понятия имеют отношение в основном к проектированию устройства воздушных линий электропередач. Именно на этом этапе рассчитываются меры безопасности самого оборудования, людей, которым предстоит заниматься его обслуживанием, и проезжающих -проходящих мимо.
Внешне ЛЭП, независимо от категории, выглядит как опора, на которой подвешен силовой кабель. Крепление осуществляется при помощи специальных изоляторов, препятствующих утечке даже при сильном дожде. Они позволяют подвешивать провода на различных инженерных сооружениях без рисков поражения электрическим током обслуживающего персонала, других людей, животных. Все элементы изготавливаются из долговечных материалов (бетон, нержавеющая сталь).
Рассмотрим более подробно про основные детали ЛЭП:
- Опоры - являются основой всей конструкции, они отвечают за подвешивание проводов на определенном уровне и их удерживании вне зависимости от климатических условий;
- Провода - передают электрический ток на заданное расстояние в соответствии с проектом;
- Линейная арматура - выполняет функции крепления отдельных элементов между собой;
- Изоляторы - которые применяются для «отделения» токоведущих частей воздушной линии от всех остальных элементов (опор, арматуры).
Также стоит отметить такой элемент, как защитные тросы. Они монтируются в верхней части опор и выполняют функции защиты от атмосферных (грозовых) перенапряжений, молний во время гроз. Конструктивно опоры разделяются по количеству цепей, располагаемых на них: 1 или 2 линии (3 провода одной трехфазной сети). На анкерных опорах, являющихся конечными точками, кабель жестко закреплен и натянут до заданного проектом натяжения.
Промежуточные же опоры лишь поддерживают его, чтобы не допустить провисания ниже предела, когда появляется риск соприкосновения с живыми объектами. Полностью исключить провисания не получится, потому что используется мощный провод большого сечения с толстой изоляцией. То же относится к защитным тросам, они достаточно прочные, но из-за этого имеют приличную массу, усложняющую натягивание до состояния «струны». Согласно правилам устройства ЛЭП допускается использование трех типов проводов/кабелей:
- Неизолированные или голые;
- Изолированные;
- Защищенные.
Первый вариант проводов является самонесущим, изготовленным из нескольких жил, скрученным в жгут. Материал для них выбирается между алюминием, алюминиевым сплавом или сталеалюминевой конструкцией (прочность и другие параметры должны соответствовать ГОСТ 839-80).
Изолированные провода, как и «голые», подходят для высоковольтных линий с напряжением до 1 кВ. В составе такого кабеля обычно присутствует стальная жила, увеличивающая возможную длину пролета и прочность на разрыв-растяжение при механических нагрузках от обледенения или ветра. Такие марки называются самонесущими или СИП. Центральная жила бывает с изоляцией или без изоляции, токопередающие жилы однозначно должны быть изолированными. Однако отдельные жилы в проводе могут вибрировать, и передавая вибрацию проводам будет казаться, что трещат сами провода.
Защищенные провода предназначены для ВЛ, рассчитанные на передачу напряжения свыше 1 кВ, но до 20 кВ. Они чаще выполняются сталеалюминиевыми (маркируются аббревиатурой АС), чтобы, помимо электрических характеристик, придать конструкции повышенную прочность на разрыв-растяжение. При строительстве ЛЭП для передачи высокого напряжения свыше 20 кВ применяется алюминий. Материал обладает высокой электропроводностью и достаточной прочностью [34, с. 30].
Также в ходу алюминиевые сплавы - термо обработанные (АЖ) и не термо обработанные (АН). Такие провода прочнее «чистого» алюминия и одновременно сохраняют его электрические свойства. Если речь идет об относительно низком напряжении, допустимо использование кабеля из стали, которые имеют высокое сопротивление, низкую устойчивость к атмосферным осадкам, зато механически прочные. Маркируется стальной провод как ПС. Редкий вариант - медь (с обозначением «М»). Это наилучший вариант в плане электропроводности, стойкостью к окружающей среде, высокой механической прочностью. Но медные провода слишком тяжелые и дорогие, поэтому практически не применяются. Слишком большой бюджет потребуется для строительства опор ЛЭП, изготовления арматуры, изоляторов.
Далее рассмотрим опоры ЛЭП. Опора предназначена для крепления и подвески электрического провода на определенной высоте. Они изготавливаются из различных материалов - дерева, железобетона, металла или композита. От устройства опоры ЛЭП зависит долговечность конструкции, удобство обслуживания или ремонта. Поэтому от деревянных столбов постепенно отказываются, хотя они обходятся дешевле остальных вариантов. И заменяются на железобетонные, металлические и композитные.
К основным элементам опор относятся [23, с. 63]:
- Фундамент - обеспечивает устойчивость конструкции на пучинистых грунтах;
- Стойка - которая задает высоту расположения кабеля над уровнем поверхности земли;
- Подкосы - принимают на себя часть нагрузки от одностороннего натяжения провода;
- Растяжки - помогает удерживать кабель в горизонтальном состоянии.
Опоры делятся на две категории: анкерные и промежуточные. Первые монтируются в начале или конце линии, на точках, где трасса меняет направление. Они более массивные, прочные в сравнении со вторым типом. Промежуточные же располагаются между анкерными на одинаковом расстоянии для поддержания провода на одной высоте (на прямых участках).
В зависимости от назначения эти опоры делятся на [23, с. 65]:
- Транспозиционные;
- Перекрестные;
- Ответвительные;
- Пониженные;
- Повышенные.
Существует стандарт, определяющий, как должны выглядеть стойки - ГОСТ 22131-76, но практика показывает, что часто встречаются случаи ухода от массового применения типовых конструкций. На местах обслуживающие организации адаптируют регламент к местным условиям ландшафта и климата. Из-за этого меняются и материалы, используемые при изготовлении стоек. Так, древесина, даже пропитанная антисептиком, служит меньше ЖБИ или металлоизделий. Металлические опоры производятся из специальных сортов стали. Отдельные секции соединяются телескопическими или фланцевыми переходниками. Их легко изготовить, проще заземлять, перевозить. Металл создает меньше нагрузку на фундамент, и удешевляет всю конструкцию, ее экономическую эффективность (см. Приложение А).
Но «железо» относительно дорогой материал, поэтому наибольшее распространение, кроме дерева, получили железобетонные конструкции. Их легко изготавливать по «шаблону», предусмотренному стандартом, поэтому производство получается дешевым. Единственный недостаток железобетона заключается в сложности транспортировки в готовом виде и необходимости привлечения тяжелой техники для монтажа. Зато такие стойки служат десятилетиями без изменений характеристик.
Далее рассмотрим устройство изоляторов ЛЭП. Изоляторы - основное защитное устройство, препятствующее замыканию, утечке электрического тока во влажную погоду. Выпускаются такие изделия в соответствии со стандартами вроде ГОСТ 27611-88, 6490-93, 30531-97, 18328-73 (применение норм зависит от материала). Конструктивно они делятся на категории: штыревые, подвесные, стержневые, опорно-стержневые. Первые применяют на линиях до 1000В, остальные предназначены для ЛЭП 110 кВ и выше.
