1.6. Система передачи и распределения электрической энергии (пример)

Выше приведена характеристика систем передачи и распределения ЭЭ. Рас­смотрим взаимосвязи этих систем на небольшом примере.

В качестве примера рассмотрим упрощенную принципиальную схему пере­дачи и распределения электроэнергии в крупном промышленном районе показы­вающую взаимную связь между электростанциями (центрами электропитания) и электропотребителями (электроприемниками) (рис.117).

На гидростанциях средней мощности ГЭС-1 и ГЭС-2, значительно удаленных от центров потребления энергии, электроэнергия трансформируется с повышением напряжения (U_г1=15,75 кВ, U_г2=13,8 кВ) до 330 кВ через повышающие подстанции ПС1 и ПС2. Связь между гидростанциями и передача электроэнергии ГЭС на приемную (районную) подстанцию ПСЗ осуществляется с помощью двух- и трехцепных ЛЭП 330 кВ внутрисистемных связей Л1 и Л2 с промежуточным отбором на подстанции ПС4. На подстанции ПС3 напряжение 330 кВ снижается до 110 кВ и передается в сложно-замкнутую сеть. В эту же сеть ЭЭ поступает от трех теплофикационных станций — теплоэлектроцентралей ТЭЦ-1, 2, 3. Объеди­няющая их сеть 110 кВ выполняет также функцию распределения электроэнергии в данном промрайоне.

Объединение системообразующей (передающей) и распределительной час­тей данной системы электроснабжения выполняется на приемной подстанции ПСЗ с напряжениями 330/110/35 кВ, имеющей межсистемную связь с соседней ЭЭС через двухцепную ЛЭП 330 кВ.

Электроснабжение потребителей, расположенных в районе ТЭЦ, выполнено по кабельным и воздушным линиям 6,10 кВ на генераторном напряжении. Боль­шая часть ЭЭ, вырабатываемая на ТЭЦ, через повышающие трансформаторы под­станций ПС5—ПС7 поступает на шины высшего напряжения, передается и рас­пределяется по ВЛ напряжением 110 кВ.

Шины генераторного напряжения ТЭЦ и вторичных напряжений подстанций ПСЗ—ПС 10 являются центрами питания распределительных сетей среднего и низше­го напряжения 6—110 кВ, а также низковольтных сетей 0,38 кВ (через потребитель­ские подстанции ТШ—ТПЗ), осуществляющих электроснабжение предприятий и от­дельных электропотребителей, расположенных в данном промрайоне.

Рис. 1.17. Принципиальная схема передачи и распределения электроэнергии в промышленном районе

Такое общее исполнение системы электроснабжения промрайона позволяет обеспечить надежное электроснабжение потребителей ЭЭ (электроприемники, на­грузки отходящих линий показаны стрелками), включенных в сетях различных номинальных напряжений. В данной системе электроснабжения принята система напряжении 330—110—35—10(6)—0,38 кВ. Передача электрической энергии от источников к потребителям и распределение ее между ними осуществляется пре­имущественно ступенями электрических сетей посредством двух, трех и более трансформаций.

Таким образом, в данной системе электроснабжения можно выделить эле­менты, формирующие систему передачи электроэнергии: совокупность электро­передач выдачи мощности ГЭС и линий межсистемной передачи 330 кВ и эле­менты, образующие систему распределения электроэнергии: сложно-замкнутая сеть СН 110 кВ и разветвленные разомкнутые сети НН 0,38—35 кВ.

1.7. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Линии электропередачи — центральный элемент системы передачи и рас­пределения ЭЭ. Линии выполняются преимущественно воздушными и кабельны­ми. На энергоемких предприятиях применяют также токопроводы, на генератор­ном напряжении электростанций — шинопроводы; в производственных и жилых зданиях — внутренние проводки.

Выбор типа ЛЭП, ее конструктивного исполнения определяется назначени­ем линии, местом расположения (прокладки) и, соответственно, ее номинальным напряжением, передаваемой мощностью, дальностью электропередачи, площадью и стоимостью занимаемой (отчуждаемой) территории, климатическими условия­ми, требованиями электробезопасности и технической эстетики и рядом других факторов и, в конечном итоге, экономической целесообразностью передачи элек­трической энергии. Указанный выбор производится на стадиях принятия проект­ных решений. Вопросы проектирования и технико-экономического анализа рас­сматриваются в главе 12.

В данном разделе формулируются требования, которыми должны удовле­творять ЛЭП, условия их выполнения и на их основе представляются некоторые принципы и варианты конструктивного исполнения линий электропередачи.

Наиболее распространены на всех ступенях системы электроснабжения воз­душные линии ввиду их относительно малой стоимости. По этой причине приме­нение ВЛ должно рассматриваться в первую очередь.

1.7.1. Воздушные линии электропередачи

Воздушными называются линии, предназначенные для передачи и распре­деления ЭЭ по проводам, расположенным на открытом воздухе и поддерживае­мым с помощью опор и изоляторов. Воздушные ЛЭП сооружаются и эксплуати­руются в самых разнообразных климатических условиях и географических районах подвержены атмосферному воздействию (ветер, гололед, 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 анализа условий ВЛ следует, что материа­лы и конструкции линий должны удовлетворять ряду требований [5, 8, 9]: эконо­мически приемлемая стоимость, хорошая электропроводность и достаточная ме­ханическая прочность материалов проводов и тросов, стойкость их к коррозии, химическим воздействиям; линии должны быть электрически и экологически безопасны, занимать минимальную территорию.

Конструктивное исполнение воздушных линий. Основными конструк­тивными элементами ВЛ являются опоры, провода, грозозащитные тросы, 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 высоковольт­ной ВЛ объединяет три провода (комплекта проводов) трехфазной линии, в низ­ковольтной — от трех до пяти проводов. В целом конструктивная часть ВЛ (рис. 1.18) характеризуется типом опор, длинами пролетов, габаритными размерами, конструкцией фаз, количеством изоляторов.

Длины пролетов ВЛ выбирают по экономическим соображениям, т. к. с увеличе­нием длины пролета / возрастает провис проводов, необходимо увеличить высоту опор Н, чтобы не нарушить допустимый габарит линии h (рис. 1.18, б), при этом уменьшится количество опор и изоляторов на линии. Габарит линии —наименьшее расстояние от нижней точки провода до земли (воды, полотна дорога) — должен быть таким, чтобы обеспечить безопасность движения людей и транспорта под линией. Это расстояние за­висит от номинального напряжения линии и условий местности (населенная, ненасе­ленная). Расстояние между соседними фазами линии зависит главным образом от ее номинального напряжения. Основные конструктивные размеры ВЛ приведены в табл. 1-4 [5]. Конструкция фазы ВЛ в основном определяется количеством проводов в фазе. Если фаза выполнена несколькими проводами, 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-двенадцать – при 1150 кВ.

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

Таблица 1.4

Конструктивные размеры ВЛ

Типы и конструкции опор разнообразны. В зависимости от назначения и размеще­ния на трассе ВЛ они подразделяются на промежуточные и анкерные. 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 крепят с помощью поддерживаю­щих (подвесных) гирлянд изоляторов или штыревых изоляторов. Промежуточные опоры в нормальном режиме испытывают нагрузку в основном от собственного веса проводов, тросов и изоляторов, подвесные гирлянды изоляторов свисают вертикально.

Анкерные опоры устанавливают в местах жесткого крепления проводов; они делят­ся на концевые, угловые, промежуточные и специальные. Анкерные опоры, рассчитанные на продольные и поперечные составляющие тяжения проводов (натяжные гирлянды изо­ляторов расположены горизонтально), испытывают наибольшие нагрузки поэтому они значительно сложнее и дороже промежуточных; число их на каждой линии должно быть минимальным. В частности, концевые и угловые опоры, устанавливаемые в конце или на повороте линии, испытывают постоянное тяжение проводов и тросов: одностороннее или по равнодействующей угла поворота; промежуточные анкерные, устанавливаемые на про­тяженных прямых участках, также рассчитываются на одностороннее тяжение, которое может возникнуть при обрыве части проводов в примыкающем к опоре пролете.

Специальные опоры бывают следующих типов: переходные — для больших проле­тов пересечения рек, ущелий; ответвительные — для выполнения ответвлений от основной линии; транспозиционные—для изменения порядка расположения проводов на опоре.

Наряду с назначением (типом) конструкция опоры определяется количест­вом цепей ВЛ и взаимным расположением проводов (фаз). Опоры (и линии) вы­полняются в одно- или двухцепном варианте, при этом провода на опорах могут размещаться треугольником, горизонтально, обратной «елкой» и шестиугольни­ком, или «бочкой» (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Расположение проводов и тросов на опорах: а, б — треугольное; в — горизонтальное; г — обратной елкой; д — шестиугольное «бочкой»

Несимметричное расположение фазных проводов по отношению друг к другу (рис. 1.19) обуславливают неодинаковость индуктивностей и емкостей разных фаз. Для обеспечения симметрии трехфазной системы и выравнивания по фа­зам реактивных параметров (см. разд. 2.1) на длинных линиях (более 100 км) на­пряжением 110 кВ и выше осуществляют перестановку (транспозицию) проводов 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. 1.20).

Деревянные опоры (рис. 1.21 ) изготавливают из сосны или лиственницы и при­меняют на линиях напряжением до 110 кВ в лесных районах, но все реже. Основными элементами опор являются пасынки (приставки) 1, стойки 2, траверсы 3, раскосы 4, подтраверсные брусья 6 и ригели 5. Опоры просты в изготовлении, дешевы, удобны в транспортировке. Основной их недостаток — недолговечность из-за гниения древе­сины, несмотря на ее обработку антисептиком. Применение железобетонных пасын­ков (приставок) увеличивает срок службы опор до 20—25 лет.

Рис. 1.20. Схема транспозиции проводов.

Железобетонные опоры (рис. 1.22) наиболее широко применяются на лини­ях напряжением до 750 кВ. Они могут быть свободностоящими (промежуточны­ми) и с оттяжками (анкерными). Железобетонные опоры долговечнее деревянных, просты в эксплуатации, дешевле металлических.

Металлические (стальные) опоры (рис. 1.23) применяют на линиях напря­жением 35 кВ и выше. К основным элементам относятся стойки 1, траверсы 2, тросостойки 3, оттяжки 4 и фундамент 5. Они прочны и надежны, но достаточно металлоемкие, занимают большую площадь, требуют для установки 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 железобетонные опоры различных типов для ВЛ всех напряжений, что позволяет серийно их про­изводить, ускорять и удешевлять сооружение линий.

Рис. 1.21. Применение деревянных опор и тип опоры: а — промежуточная 0,38—ЮкВ;

б — промежуточная на 0,38—35 кВ; в — угловая промежуточная на 6—35 кВ; г—промежуточная на 35 кВ; д — промежуточная свободно стоящая на 35—220 Кв

а — промежуточная 6—10 кВ; б — угловая промежуточная на 6—35 кВ;

в — анкерно-угловая одноцепная на оттяжках на 35—220 кВ; г — промежуточная двух-

цепная на 110—220 кВ; д — промежуточная одноцепная портальная на 330—500 кВ

а — промежуточная одноцепная башенного типа на 35—330 кВ;

б—промежуточная двухцепная башенного типа на 35—330 кВ;

в — промежуточная одноцепная на оттяжках на 110—330 кВ;

г — промежуточная портальная на оттяжках на 330—500 кВ;

д — промежуточная свободно стоящая (типа «рюмка») на 500—750 кВ;

е — промежуточная на оттяжках типа «набла» на 750 кВ

Провода воздушных линий. Провода предназначены для передачи элек­троэнергии. Наряду с хорошей электропроводностью (возможно меньшим элек­трическим сопротивлением), достаточной механической прочностью и устойчи­востью против коррозии, они должны удовлетворять условиям экономичности. С этой целью применяют провода из наиболее дешевых металлов — алюминия, ста­ли, специальных сплавов алюминия. Хотя медь обладает наибольшей проводимо­стью, медные провода из-за высокой стоимости и необходимости для других це­лей в новых линиях не используются. Их использование допускается в контакт­ных сетях, в сетях горных предприятий. Физико-механические характеристики проводниковых металлов приведены в приложении П 1.

На ВЛ применяются преимущественно неизолированные (голые) провода. По конструктивному исполнению провода могут быть одно- и многопроволочны­ми полыми (рис 1.24). Однопроволочные, преимущественно стальные провода используются ограничено в низковольтных сетях. Для придания им гибкости и большей механической прочности провода изготавливают многопроволочными из одного металла (алюминия или стали) и из двух металлов (комбинированные) — алюминия и стали. Сталь в проводе увеличивает механическую прочность.

Н а ВЛ применяются преимущественно неизолированные (голые) провода. По конструктивному исполнению провода могут быть одно- и многопроволочны­ми полыми (рис 1.24). Однопроволочные, преимущественно стальные провода используются ограничено в низковольтных сетях. Для придания им гибкости и большей механической прочности провода изготавливают многопроволочными из одного металла (алюминия или стали) и из двух металлов (комбинированные) — алюминия и стали. Сталь в проводе увеличивает механическую прочность.

Рис. 1.24. Конструкции неизолированных проводов ВЛ:

а — однопроволочный; б — многопроволочный; в — сталеалюминиевый;

г — многопроволочный с наполнителем; д — полый

Исходя из условий механической прочности, алюминиевые провода марок А и АКП (рис. 1.24) применяют на ВЛ напряжением до 35 кВ. Воздушные линии 6—35 кВ могут также выполнятся сталеалюминиевыми проводами, а выше 35 кВ линии монтируются исключительно сталеалюминиевыми проводами. Сталеалю-миниевые 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 проводов 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 пленкой. Провода с анти­коррозийной защитой применяются в районах, где воздух загрязнен примесями, действующими разрушающе на алюминий и сталь. Площади сечения проводов нормированы государственным стандартом (см. приложения П 1.2—П 1.11).

Повышение диаметров проводов при неизменности расходования провод­никового материала может осуществляться применением проводов с наполните­лем из диэлектрика и полых проводов (рис. 1.24, г, д). Такое использование сни­жает потери на коронирование (см. разд. 2.2). Полые провода используются глав­ным образом для ошиновки распределительных устройств 220 кВ и выше.

Провода из сплавов алюминия (АН — нетермообработанные, АЖ — тсрмообработанные) 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 толщенной стенки голо­леда до 20 мм.

Все большее применение находят ВЛ с самонесущими изолированными проводами напряжением 0,38—10 кВ (табл. П 1.2). В линиях напряжением 380/220 В провода состоят из несущего изолированного или неизолированного провода, являющегося нулевым, трех изолированных фазных проводов, одного изолированного провода (любой фазы) наружного освещения. Фазные изолиро­ванные провода навиты вокруг несущего нулевого провода (рис. 1.25). Несущий провод является сталеалюминиевым, а фазные — алюминиевыми. Последние по­крыты светостойким термостабилизированным (сшитым) полиэтиленом (провод типа АПВ). К преимуществам ВЛ с изолированными проводами перед линиями с голыми проводами можно отнести отсутствия изоляторов на опорах, максималь­ное использование высоты опоры для подвески проводов; нет необходимости в обрезке деревьев в зоне прохождения линии [22].

Рис. 1.25. Конструктивное исполнение самонесущего изолированного провода

Грозозащитные тросы наряду с искровыми промежутками, разрядниками, ограничителями напряжений и устройствами заземления служат для защиты ли­нии от атмосферных перенапряжений (грозовых разрядов). Тросы подвешивают над фазными проводами (рис. 1.19) на ВЛ напряжением 35 кВ и выше в зависимо­сти от района по грозовой деятельности и материала опор, что регламентируется Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) [12]. В качестве грозозащитных проводов обычно применяют стальные оцинкованные канаты марок С 35, С 50 и С 70, а при использовании тросов для высокочастотной связи — сталеалюминевые провода. Крепление тросов на всех опорах ВЛ напряжением 220—750 кВ должно быть выполнено при помощи изолятора, шунтированного искровым про­межутком. На линиях 35—ПО кВ крепление тросов к металлическим и железобе­тонным промежуточным опорам осуществляется без изоляции троса.

Более подробно физико-технические свойства проводов и тросов рассмат­риваются в курсе «Электротехнические материалы».

Изоляторы воздушных линий. Изоляторы предназначены для изоляции и коепления проводов. Изготавливаются они из фарфора и 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 рассыпается. Это облегчает нахождение поврежденных изоляторов на линии.

Рис. 1.26. Изоляторы воздушных линий: а — штыревой 6—10 кВ; б — штыревой 35 кВ; в — подвесной; г, д — стержневые полимерные

По конструкции, способу закрепления на опоре изоляторы разделяют на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы (рис. 1.26, а, 6) 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. 1.26, 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. 1.27, г): поддерживающие на промежуточных опорах и натяжные на анкерных. Количест­во изоляторов в гирлянде зависит от напряжения, типа и материала опор, загряз­ненности атмосферы. Например, в линии 35 кВ — 3—4 изолятора, 220 кВ — 12— 14; на линиях с деревянными опорами, обладающих повышенной грозоупорно-стью, количество изоляторов в гирлянде на один меньше, чем на линиях с метал­лическими опорами; в натяжных 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 (рис. 1.26, г, д). Они представляют со­бой стержневой элемент из стеклопластика, защищенный покрытием с ребрами из фторопласта или кремнеорганической резины. Стержневые изоляторы по сравнепню с подвесными имеют меньший все и стоимость, более высокую механиче­скую прочность, чем из закаленного стекла. Основная проблема — обеспечить возможность их длительной (более 30 лет) работы [2, 22].

Подробно изоляторы, их конструкции, защита линий от перенапряжений рассматриваются в курсе «Техника высоких напряжений».

Линейная арматура предназначена для закрепления проводов к изолято­рам и тросов к опорам и содержит следующие основные элементы: зажимы, со­единители, дистанционные распорки и др. (рис. 1.27). Поддерживающие зажимы применяют для подвески и закрепления проводов ВЛ на промежуточных опорах с ограниченной жесткостью заделки (рис. 1.27, а). На анкерных опорах для жестко­го крепления проводов используют натяжные гирлянды и зажимы — натяжные и клиновые (рис. 1.27, б, в). Сцепная арматура (серьги, ушки, скобы, коромысла) предназначена для подвески гирлянд на опорах. Поддерживающая гирлянда (рис. 1.27, г) закрепляется на траверсе промежуточной опоры с помощью серьги 1, вставляемой другой стороной в шапку верхнего подвесного изолятора 2. Ушко 3 используется для прикрепления к нижнему изолятору гирлянды поддерживающе­го зажима 4. Дистанционные распорки (рис. 1.27, д), устанавливаемые в пролетах линий 330 кВ и выше с расщепленными фазами, предотвращают схлестывание, соударения и закручивание отдельных проводов фаз. Соединители применяются для соединения отдельных участков провода с помощью овальных или прессую­щих соединителей (рис. 1.27, е, ж). В овальных соединителях провода либо скру­чиваются, либо обжимаются; в прессуемых соединителях, применяемых для со­единения сталеалюминиевых проводов больших сечений, стальная и алюминие­вые части опрессовываются отдельно.

Результатом развития техники передачи ЭЭ на дальние расстояния являют­ся различные варианты компактных ЛЭП, характеризующиеся меньшим расстоя­нием между фазами и, как следствие, меньшими индуктивными сопротивлениями и шириной трассы линии (рис. 1.28). При использовании опор «охватывающего типа» (рис. 1.28, а) уменьшение расстояния достигается за счет расположения всех фазных расщепленных конструкций внутри «охватывающего портала» или по одну сторону от стойки опор (рис. 1.28, б). Сближение фаз обеспечивается с помощью междуфазных изоляционных распорок. Предложены различные вариан­ты компактных линий с нетрадиционными схемами расположения проводов рас­щепленных фаз (рис. 1.28, в—и) [2, 3, 7]. Кроме уменьшения ширины трассы на единицу передаваемой мощности, компактные линии могут быть созданы для пе­редачи повышенных мощностей (до 8—10 ГВт); такие линии вызывают меньшую напряженность электрического поля на уровне земли и обладают рядом других технических достоинств.

К компактным линиям относятся также управляемые самокомпенсирую-щисся 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 подводятся напряжения, сдвинутые на определенный угол. За счет режимного изменения с помощью спецнальных устройств угла фазового сдвига осуществляется управление параметра-ми линий [3, 22].

Рис. 1.27. Линейная арматура воздушных линий: а — поддерживающий зажим;

б — болтовой натяжной зажим; я — прессуемый (клиновой) болтовой зажим;

г — поддерживающая гирлянда изоляторов; д — дистанционная распорка;

е — овальный соединитель; ж — прессуемый соединитель

Рис. 1.28. Расположение проводов фаз компактных линий электропередачи: а — на опоре «охватывающего типа»; б — на двухцепной линии с междуфазовы­ми изоляционными распорками; в — плоское; г — параболическое; д — плоско­треугольное; е — коаксиальное двухсегментное; ж — коаксиальное четырехсиг-ментное; з — двойное коаксиальное; и — коаксиальное

1.7.2. Кабельные линии электропередачи

Кабельная линия (КЛ) — линия для передачи электроэнергии, состоящая из одно­го или нескольких параллельных кабелей, выполненная каким-либо способом прокладки (рис. 1.28). Кабельные линии прокладывают там, где строительство ВЛ невозможно из-за стесненной территории, неприемлемо по условиям техники безопасности, нецелесооб­разно по экономическим, архитектурно-планировочным показателям и другими требо­ваниям. Наибольшее применение КЛ нашли при передаче и распределении ЭЭ на про­мышленных предприятиях и в городах (системы внутреннего электроснабжения) при передаче ЭЭ через большие водные пространства и т. п. Достоинства и преимущества кабельных линий по сравнению с воздушными: неподверженность атмосферным воз­действиям, скрытность трассы и недоступность для посторонних лиц, меньшая повреж­даемость, компактность линии и возможность широкого развития электроснабжения по­требителей городских и промышленных районов. Однако КЛ значительно дороже воздушных того же напряжения (в среднем в 2-3 раза для линий 6-35 кВ и в 5-6 раз для линий 110 кВ и выше), сложнее при сооружении и эксплуатации.

Рис. 1.29. Способы прокладки кабелей и кабельные сооружения: а — земляная траншея; б-_коллектора;в-туннель; г—канал; д — эстакада; е — блок

В состав КЛ входят: кабель, соединительные и концевые муфты, строитель­ные конструкции, элементы крепления и др.

Кабель — готовое заводское изделие, состоящее из изолированных токо-проводящих жил, заключенных в защитную герметичную оболочку и броню, пре­дохраняющие их от влаги, кислот и механических повреждений. Силовые кабели имеют от одной до четырех алюминиевых или медных жил сечением 1,5—2000 мм². Жилы сечением до 16 мм² — однопроволочные, свыше — многопроволоч­ные. По форме сечения жилы круглые, сегментные или секторные.

Кабели напряжением до 1 кВ выполняются, как правило, четырехжильными, напряжением 6—35 кВ — трехжильными, а напряжением ПО—220 кВ — одножильными.

Защитные оболочки делаются из свинца, алюминия, резины и полихлорви­нила. В кабелях напряжением 35 кВ каждая жила дополнительно заключается в свинцовую оболочку, что создает более равномерное электрическое поле и улуч­шает отвод тепла. Выравнивание электрического поля у кабелей с пластмассовой изоляцией и оболочкой достигается экранированием каждой жилы полупроводя­щей бумагой.

В кабелях на напряжение 1—35 кВ для повышения электрической прочно­сти между изолированными жилами и оболочкой прокладывается слой поясной изоляции.

Броня кабеля, выполненная из стальных лент или стальных оцинкованных проволок, защищается от коррозии наружным покровом из кабельной пряжи, пропитанной битумом и покрытой меловым составом.

В кабелях напряжением 110кВ и выше для повышения электрической прочности бумажной изоляции их наполняют газом или маслом под избыточным давлением (газонаполненные и маслонаполненные кабели).

В марке, обозначении кабеля указываются сведения о его конструкции, номинальное напряжение, количество и сечение жил. У четырехжильных кабелей напряжением до 1 кВ сечение четвертой («нулевой») жилы меньше, чем фазной. Например кабель ВПГ-1— 3x35+1x25 — кабель с тремя медными жилами сече­нием по 35 мм² и четвертой сечением 25 мм", полиэтиленовой (П) изоляцией на 1 кВ оболочкой из полихлорвинила (В), небронированный, без наружного покрова (Г)'_ для прокладки внутри помещений, в каналах, туннелях, при отсутствии ме­ханических воздействий на кабель; кабель АОСБ-35—3x70 — кабель с тремя алюминиевыми (А) жилами по 70 мм², с изоляцией на 35 кВ, с отдельно освинцо­ванными (О) жилами, в свинцовой (С) оболочке, бронированный (Б) стальными лентами, с наружным защитным покровом — для прокладки в земляной траншее;

ОСБ-35__3x70 — такой же кабель, но с медными жилами.

Конструкции некоторых кабелей представлены на рис. 1.30. На рис. 1.30, а, б даны силовые кабели напряжением до 10 кВ.

Четырехжильный кабель напряжением 380 В (см. рис. 1.30, а) содержит элементы: 1 — токопроводящие фазные жилы; 2 — бумажная фазная и поясная изоляция; 3 — защитная оболочка; 4 — стальная броня; 5 — защитный покров; 6 — бумажный наполнитель; 7 — нулевая жила.

Трехжилъный кабель с бумажной изоляцией напряжением 10 кВ (рис. 1.30, б) содержит элементы: 1 — токоведущие жилы; 2 — фазная изоляция; 3 — общая поясная изоляция; 4 — защитная оболочка; 5 — подушка под броней; 6 — сталь­ная броня; 7 — защитный покров; 8 — заполнитель.

Трехжилънып кабель напряжением 35 кВ изображен на рис. 1.30, в. В него входят: 1 — круглые токопроводящие жилы; 2 — полупроводящие экраны; 3 — фазная изоляция; 4 — свинцовая оболочка; 5 — подушка; 6 — заполнитель из ка­бельной пряжи; 7 — стальная броня; 8 — защитный покров.

На рис. 1.30, г представлен маслонаполненный кабель среднего и высокого давления напряжением ПО—220 кВ. Давление масла предотвращает появление воздуха и его ионизацию, устраняя одну из основных причин пробоя изоляции. Три однофазных кабеля помещены в стальную трубу 4, заполненную маслом 2 под избыточным давлением. Токоведущая жила 6 состоит из медных круглых проволок и покрыта бумажной изоляцией 1 с вязкой пропиткой; поверх изоляции наложен экран 3 в виде медной перфорированной ленты и бронзовых проволок, предохраняющих изоляцию от механических повреждений при протягивании ка­беля в трубе. Снаружи стальная труба защищена покровом 5 [22].

Широко распространены кабели в полихлорвиниловой изоляции, произво­димые трех-, четырех- и пятижильными (1.30, е) или одножильными (рис. 1.30, д). Более подробные данные о различных типах и марках кабелей, областях их применения приведены в [4, 6, 23].

Кабели изготавливаются отрезками ограниченной длины в зависимости от напряжения и сечения. При прокладке отрезки соединяют посредством соедини­тельных муфт, герметизирующих места соединения. При этом концы жил кабелей освобождают от изоляции и заделывают в соединительные зажимы.

Рис. 1.30. Силовые кабели: а — четырехжильный напряжением 380 В;

б— трсхжильный с бумажной изоляцией напряжением 10 кВ; в — трехжильный

напряжением 35 кВ; г — маслонаполненный высокого давления;

д — одножильный с пластмассовой изоляцией

При прокладке в земле кабелей 0,38—10 кВ для защиты от коррозии и механи­ческих повреждений место соединения заключается в защитный чугунный разъемный кожух. Для кабелей 35 кВ используются также стальные или стеклопластиковые кожухи.На рис. 1.31, я показано соединение трехжильного низковольтного кабеля 2 в чугунной муфте 1. Концы кабеля фиксированы фарфоровой распоркой 3 и соединены зажимом 4. Муфты кабелей до 10 кВ с бумажной изоляцией заполняются битуминоз­ными составами, кабели 20—35 кВ — маслонаполненными [8]. Для кабелей с пласт­массовой изоляцией применяют соединительные муфты из термоусаживаемых изоля­ционных трубок, число которых соответствует числу фаз, и одной термоусаживаемой трубки для нулевой жилы, усаживаемых в герметизированную муфту (рис. 1.31, б) [22]. Применяют и другие конструкции соединительных муфт.

Рис. 1.31. Соединительные муфты для трех- и четырехжильных кабелей напряже-- нием до 1 кВ: а — чугунная; б— из термоусаживаемых изоляционных трубок

На концах кабелей применяют концевые муфты или концевые заделки. На рис. 1.32, а приведена мастиконаполненая трехфазная муфта наружной установки с фарфоровыми изоляторами для кабелей напряжением 10 кВ. Для трехжильных кабелей с пластмассовой изоляцией применяется концевая муфта, представленная на рис. 1.32, б. Она состоит из термоусаживаемой перчатки 1, стойкой к воздейст­вию окружающей среды, и полупроводящих термоусаживаемых трубок 2, с по­мощью которых на конце трехжильного кабеля создаются три одножильных ка­беля. На отдельные жилы надеваются изоляционные термоусаживаемые трубки 3. На них монтируется нужное количество термоусаживаемых изоляторов 4.

Рис. 1.32. Концевые муфты для трехжильных кабелей напряжением 10 кВ:

_а — наружной установки с фарфоровыми изоляторами; б — наружной установки

с пластмассовой изоляцией; в — внутренней установки с сухой разделкой

Для кабелей 10 кВ и ниже с пластмассовой изоляцией во внутренних поме­щениях применяют сухую разделку (рис. 1.32, е). Разделанные концы кабеля с изоляцией 3 обматывают липкой полихлорвиниловой лентой 5 и лакируют; концы кабеля герметизируют кабельной массой 7 и изоляционной перчаткой 1, перекры­вающей оболочку кабеля 2, концы перчатки и жилы дополнительно уплотняют и обматывают полихлорвиниловой лентой 4, 5, последнюю для предотвращения от­ставания и разматывания фиксируют бандажами из шпагата 6.

Способ прокладки кабелей определяется условиями трассы линии. Кабели про­кладываются в земляных траншеях, блоках, туннелях, кабельных туннелях, коллекто­рах, по кабельным эстакадам, а так же по перекрытиям зданий (рис. 1.29).

Наиболее часто на территории городов, промышленных предприятиях ка­бели прокладывают в земляных траншеях (рис. 1.29, а). Для предотвращения по­вреждений из-за прогибов на дне траншеи создают мягкую подушку из слоя про­сеянной земли или песка. При прокладке в одной траншее нескольких кабелей до 10 кВ расстояние по горизонтали между ними должно быть не менее 0,1 м, между кабелями 20—35 кВ — 0,25 м. Кабель засыпают небольшим слоем такого же грунта и закрывают кирпичом или бетонными плитами для защиты от механиче­ских повреждений. После этого кабельную траншею засыпают землей. В местах перехода через дороги и на вводах в здания кабель прокладывают в асбестоцементных или иных трубах. Это защищает кабель от вибраций и обеспечивает воз­можность ремонта без вскрытия полотна дороги. Прокладка в траншеях — наи­менее затратный способ кабельной канализации ЭЭ.

В местах прокладки большого количества кабелей агрессивный грунт и блуждаю­щие токи ограничивают возможность их прокладки в земле. Поэтому наряду с другими подземными коммуникациями используют специальные сооружения: коллекторы, тунне­ли каналы блоки и эстакады. Коллектор (рис. 1.29, б) служит для совместного размеще­ния в нем разных подземных коммуникаций: кабельных силовых линий и связи, водопро­вода по городским магистралям и на территории крупных предприятий. При большом числе параллельно прокладываемых кабелей, например, от здания мощной электростанции применяют прокладку в туннелях (рис. 1.29, в). При этом улучшаются условия экс­плуатации, снижается площадь поверхности земли, необходимая для прокладки кабелей. Однако стоимость туннелей весьма велика. Туннель предназначен только для прокладки кабельных линий. Его сооружают под землей из сборного железобетона или канализаци­онных труб большого диаметра, емкость туннеля — от 20 до 50 кабелей.

При меньшем числе кабелей применяют кабельные каналы (рис. 1.29, г), за­крытые землей или выходящие на уровень поверхности земли. Кабельные эстака­ды и галереи (рис. 1.29, д) используют для надземной прокладки кабелей. Этот вид кабельных сооружений широко применяют там, где непосредственно про­кладка силовых кабелей в земле является опасной из-за оползней, обвалов, вечной мерзлоты и т. п. В кабельных каналах, туннелях, коллекторах и по эстакадам ка­бели прокладываются по кабельным кронштейнам.

В крупных городах и на больших предприятиях кабели иногда проклады­ваются в блоках (рис. 1.29, е), представляющих асбестоцементные трубы, стыки, которые заделаны бетоном. Однако в них кабели плохо охлаждаются, что снижает их пропускную способность. Поэтому прокладывать кабели в блоках следует лишь при невозможности прокладки их в траншеях.

В зданиях, по стенам и перекрытиям большие потоки кабелей укладывают в металлические лотки и короба. Одиночные кабели могут прокладываться открыто по стенам и перекрытиям или скрыто: в трубах, в пустотелых плитах и других строительных частях зданий.

1.7.3. Токопроводы, шинопроводы и внутренние проводки Токопроводом называют линию электропередачи, токоведущие части кото­рой выполнены из одного или нескольких жестко закрепленных алюминиевых или медных проводов или шин и относящихся к ним поддерживающих и опорных конструкций и изоляторов, защитных оболочек (коробов). Шинопроводом назы­вают защищенные и закрытые токопроводы, выполненные жесткими шинами. Шинопроводы до 1 кВ применяют в цеховых сетях промышленных предприятий, более I кВ — в цепях генераторного напряжения для передачи ЭЭ к повышаю­щим трансформаторам электростанций. Токопроводы 6—35 кВ используются для магистрального питания энергоемких предприятий при токах 1,5—6,0 кА. Шинопроводы до 1 кВ промышленных предприятий (комплектные токопроводы) монтируют из стандартных секций заводского изготовления. Отдельные секции 1 такого токопровода (рис. 1.33, а) состоят из коробов с размещенными в них эле­ментами токопроводов, ответвлительной 3 и вводной 2 коробок, присоединенных через ответвительную секцию 4 к магистрали 5. Комплектный шинопровод, вы­пускаемый трех- и четырехпроходным (рис. 1.33, б) состоит из секций в виде отрезков шин 1, закрепленных на прокладках 3 в коробке 2 с зажимами 4 для присоединения электропотребителей. Длина таких секций по условиям транспортировки не превышает 6 м. Короба шинопроводов необходимы для защиты от внешних воздействий, иногда их используют в качестве нулевого проводника.

Рис. 1.33. Общий вид компактного токопровода на напряжение до 1 кВ (а) и конструкция шинопровода (б)

Жесткий симметричный токопровод 6—10 кВ выполняется из шин коробчато­го сечения, жестко закрепленных на опорных изоляторах, прикрепленных к общей стальной конструкции по вершинам равностороннего треугольника. Токопровод может прокладываться открыто — на опорах или эстакадах, либо скрыто — в тунне­лях (рис. 1.34) и галереях.

Гибкий унифицированный симметричный токопровод 6—10 кВ наружного на­полнения является по существу двухцепной ВЛ с расщепленными фазами (рис. 1.35, а). Каждая фаза состоит из 4, б, 8 или 10 проводов марки А 600, располагаемых на поддер­живающих зажимах по окружности диаметром 600 мм. С помощью специальной систе­мы подвески на изоляторах все три фазы размещаются по вершинам треугольника и кре­пятся к опорам. Для предотвращения схлестывания фаз между собой в пролетах уста­навливаются межфазовые изолирующие распорки.

У гибкого токопровода 35 кВ (рис. 1.35) фазы состоят из трех проводов, марки А 600, закреплены в кольца и посредствам несущего стального троса под­вешены на изоляторах к опоре. Опоры гибких токопроводов, сооружаемые из же­лезобетона или стали, устанавливаются через 50—100 м. Отпайки от токопрово­дов к электропотребителям выполняются шинами или голыми проводами. Харак­теристики шинопроводов и токопроводов приведены в приложении П 1.17.

Рис.1.35. Гибкие симметричные токопроводы: а – на 10 кВ; б – на 35 кВ.

Внутренними электропроводками называются провода и кабели с электро­установочными и электромонтажными изделиями, предназначенные для выпол­нения внутренних сетей в зданиях [5]. Они выполняются открытыми и скрытыми, в большинстве случаев изолированными проводами, прокладываемыми на изоля­торах или в трубах. Кабели прокладываются в каналах, полах или стенах. Иногда к внутренним электропроводкам относят также токопроводы (шинопроводы) це­ховых сетей промышленных предприятий.

Вопросы для самопроверки

1. Почему необходимо передавать (транспортировать) электроэнергию?

2. Какие элементы «ходят в систему передачи и распределения электроэнергии? Какова ее задача?

3. Что общего в понятиях «электропередача» и «электрическая сеть» и чем они отличаются?

4. Чем различаются понятия «система электроснабжения» и «электроэнергетическая система»?

5. Каким требованиям должна удовлетворять система передачи и распреде­ления ЭЭ?

6. Почему передача и распределение электроэнергии осуществляются преимущественно на трехфазном переменном токе? Какова при этом роль трансформаторов?

7. Каковы преимущества и качества линий электропередачи постоянного тока?

8. Что сдерживает широкое применение линий постоянного тока? Почему при­менение линий постоянного тока может быть целесообразным при больших длинах?

9. Какова классификация линий электропередачи переменного тока? Какие линии составляют системы передачи и распределения ЭЭ?

10. Почему необходимы автоматические устройства на всех объектах систем . передачи и распределения ЭЭ?

11. Какие виды системной автоматики широко применяются в электропередачах?

12. Почему применение системной автоматики повышает надежность элек­троснабжения?

13. В чем состоит отличие областей применения АПВ и АВР?

14. При каких авариях и режимах действует АРВ и применяют АЧР?

15. Какие устройства автоматического управления режимами напряжения применяют в электропередачах?

16. Каковы состав и общие условия функционирования АСДТУ?

17. Что образует систему передачи ЭЭ? Каким требованиям она должна со­ответствовать?

18. Какие значения мощностей и дальности передачи присущи системам пе­редачи ЭЭ? В чем состоит условность разделения систем передачи и распределе­ния ЭЭ по номинальному напряжению?

19. Каковы основные принципы построения схем передачи ЭЭ? В чем со­стоят преимущества связанной схемы по сравнению с блочной?

20. Какие возможны этапы развития системы передачи ЭЭ? В чем состоят преимущества и недостатки сложнозамкнутых систем передачи ЭЭ?

21. Что понимается под пропускной способностью электропередачи? Какими условиями она ограничена?

22. Как можно увеличить пропускную способность электропередачи по условию устойчивости генераторов, систем?

23. Почему целесообразно подключение к дальним электропередачам промежуточных подстанций?

24 Каково назначение системы распределения ЭЭ? Какими свойствами она

обладает?

25 Какие сети составляют систему распределения ЭЭ? Какие уровни (сту­пени) в ней выделяются?

26 По каким признакам классифицируются распределительные сети? Чем определяется их схемное построение?

27 В чем состоят преимущества и недостатки радиальных и магистральных схем?

28. Как формируются замкнутые сети? Каковы их виды?

29 В каких случаях экономически целесообразно применение сложнозамкнутых сетей?

30. Почему распределительные сети замкнутой конфигурации эксплуатиру­ются в разомкнутом режиме?

31. В чем состоят особенности распределительных сетей?

32. Как классифицируются линии электропередачи по конструктивному ис­полнению? Какими факторами определяется выбор типа ЛЭП?

33. Каким требованиям должны удовлетворять материалы и конструкции ВЛ?

34. Из каких основных конструктивных элементов состоит ВЛ? Каковы ее основные геометрические характеристики? Чем они определяются?

35. В чем назначение опор? Каковы их типы, различающиеся по функцио­нальному назначению?

36. В чем состоят преимущества и недостатки деревянных, железобетонных и металлических опор?

37. Какие материалы применяются для изготовления проводов и грозоза­щитных тросов? В чем состоят преимущества и недостатки алюминиевых, мед­ных и сталеалюминевых проводов?

38. Какие типы изоляторов используются на воздушных линиях?

39. Какова основная арматура ВЛ? Каково ее назначение?

40. Какова конструкция линии с изолированными проводами? В чем состоят преимущества таких линий?

41. Какие линии называются компактными? В чем состоит их преимущество перед ВЛ традиционного исполнения?

42. В каких случаях применяются кабельные линии? Какие существуют спо­собы прокладки кабелей?

43. В чем состоят преимущества и недостатки кабельных линий по сравне­нию с воздушными?

44. Какими условиями определяется выбор способа прокладки кабеля?

45. Чем конструктивно отличаются кабели 10 кВ и 110 кВ?

46. Какие типы кабельных муфт применяются?

47. Как конструктивно устроены жесткие и гибкие токопроводы?

48. В каких случаях целесообразнее применять воздушные линии, кабель­ные линии и токопроводы?