Номинальные напряжения электрических сетей

 

Номинальным напряжением называется указанное изготовителем напряжение, являющееся исходным для отсчёта отклонений напряжения от этого значения при эксплуатации и испытаниях электроустановки.

При этом считается, что номинальное напряжение обеспечивает наиболее целесообразные технические и экономические характеристики электротехнического устройства. Шкала номинальных напряжений трёхфазных электрических сетей, а также подключаемых к ним приёмников электрической энергии, генераторов и трансформаторов приведена в табл. 1.

 

 

 

 

Табл. 1. Номинальные н а пряжения электрических сетей и их элементов, кВ
I Номинальные линейные напряжения электрических сетей и приемников электроэнергии	Номинальные линейные напряжения
генераторов	трансформаторов
первичных обмоток	вторичных обмоток
0,38	0,40	0,38	0,40
0,66	0,69	0,66	0,69
	6.3	6 или 6,3	6,3 или 6,6
	10,5	10 или 10,5	10,5 или 11
		20 или 21
	–	35 или 36,75	38,5
	–	110 или 115	115 или121
	–		230 или 242
	–		330 или 347
	–		500 или 525
	–		750 или 787
	–		–

Рассмотрим область применения номинальных напряжений электрических сетей. Напряжение 380 В используется для обеспечения электроэнергией электроприемников соответствующего класса напряжения в городских и сельских районах и на предприятиях. Из напряжений 6 и 10 кВ последнее находит более широкое применение. Они используются при распределении электроэнергии в системах электроснабжения городов, сельских районов и промышленных предприятий, а также для подключения высоковольтных электроприёмников. Напряжение 35 кВ преимущественно применяется в сельских районах. Напряжения 110 и 220 кВ нашли применение для передачи электроэнергии от крупных подстанций к центрам питания распределительных сетей, а также для создания глубоких вводов при электроснабжении крупных промышленных предприятий и городов. Напряжение 330 кВ и выше применяется в системообразующих сетях при формировании электроэнергетических систем и для связи их между собой.

Между номинальными напряжениями электрических сетей, приемников электроэнергии, генераторов и трансформаторов установлены определенные соотношения (табл. 1), обеспечивающие наиболее целесообразные условия для передачи и распределения электроэнергии и поддержания напряжения, близкого к номинальному, у большинства электроприёмников.

Рассмотрим участок электрической сети (рис. 4), включающий генератор Г электрической станции, непосредственно связанный с линией электропередачи Л1, в разных точках которой подключены приемники электроэнергии, указанные стрелками.

Через повышающий трансформатор Т1 электростанция выдает электроэнергию потребителям посредством линии Л2, в промежуточных точках которой подключены понижающие трансформаторы Т2...Т4.

Рис. 4. Электрическая сеть и графики распределения напряжения (а, б) в её частях

Так как приёмники электроэнергии непосредственно подключены к сети определённого номинального напряжения, их номинальные напряжения одинаковы. Вместе с тем, в практике встречаются случаи несовпадения номинальных напряжений электроприёмников и электрических сетей. Например, лампы накаливания выпускаются на напряжение 230–240 В для работы в электрической сети с номинальным фазным напряжением 220 В. Причиной этого является сильное влияние величины напряжения на срок их службы.

Трансформаторы, как и электроприёмники, подключаются в разных точках электрической сети. Первичная обмотка трансформатора – обмотка, к которой подводится энергия преобразуемого переменного тока, а вторичная – от которой отводится энергия

преобразованного переменного тока. Своей первичной обмоткой трансформатор подключается к генератору или к линии электрической сети. Когда трансформатор Т1 первичной обмоткой подключен к генератору, их номинальные напряжения должны совпадать. Поэтому

U н.п.о = U н.г =1,05 U н.с.

При подключении трансформаторов Т2...Т4 первичной обмоткой к линии Л2 электрической сети их номинальные напряжения также одинаковы, т.е. U _н.п.о = U _н.с.

 

Воздушные линии

 

Воздушные линии (ВЛ) предназначены для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода, опоры, изоляторы, линейная арматура и грозозащитные тросы. Провода служат для передачи электрической энергии. Опоры поддерживают провода на определённом расстоянии от уровня земли. Изоляторы обеспечивают изоляцию находящихся под напряжением проводов от опоры. Линейная арматура служит для крепления проводов к изоляторам, изоляторов к опорам, соединения проводов и для других целей. Грозозащитные тросы защищают провода от непосредственного попадания в них молнии.

В зависимости от отдельных конструктивных элементов и параметров ВЛ можно разделить на:

- традиционные с голыми проводами;

- с изолированными проводами;

- компактные со сближенными фазами;

- воздушные жесткие и гибкие токопроводы.

Наибольшее применение нашли одно- и двухцепные ВЛ с голыми проводами. Одноцепная линия имеет один комплект фазных проводов трёхфазной линии, а двухцепная – два комплекта.

Воздушные линии подвержены всем атмосферным воздействиям: изменению температуры, ветру, гололеду. При колебании температуры изменяются напряжение в материале провода и стрела провеса провода. Образование гололеда на проводах и ветер увеличивают механические нагрузки на провода и опоры линий. Кроме того, ветер вызывает вибрацию и «пляску» проводов. Поэтому все конструктивные элементы ВЛ должны быть рассчитаны на воздействие данных факторов.

Конструктивная часть ВЛ характеризуется длинами промежуточного (между соседними промежуточными опорами) и анкерного (между двумя анкерными опорами) пролетов, габаритными размерами. Расстояние по вертикали от низшей точки провода в пролёте до точки подвеса называется стрелой провеса провода. Наименьшее расстояние от низшей точки проводов до земли или каких-то пересекаемых линией сооружений называется габаритом и устанавливается нормами ПУЭ по условиям безопасного передвижения людей и транспорта под линиями.

 

 

4 Условия работы воздушных линий

Работа ВЛ осуществляется под постоянным воздействием изменяющихся климатических условий.

Изменения температуры воздуха приводят к удлинению или сокращению проводов, что вызывает изменение напряжения в материале провода и может привести либо к его обрыву, либо к недопустимо большой стреле провеса, а следовательно, к уменьшению габарита.

Провода ВЛ при некоторых атмосферных условиях покрываются гололёдом. Гололёд образуется во время дождя, мокрого снега, сырой погоды и туманов при температуре воздуха около –5°С. Переохлажденные и насыщенные влагой частицы, соприкасаясь с проводами, температура которых несколько ниже 0°С, намерзают вокруг них. Интенсивность образования гололёда зависит от влажности воздуха и скорости его перемещения, высоты опор, наличия вблизи линий больших водных поверхностей.

Гололёд, обладая большой массой, обрывает провода и ломает опоры. Для борьбы с образовавшимся гололедом применяют установки плавки его электрическим током. При проектировании ВЛ расчёт проводов и опор ведётся с учётом климатических районов по гололёду.

Ветер увеличивает механические нагрузки, действующие на провода и опоры ВЛ, что также учитывается при проектировании их конструктивной части. Вместе с тем, действие ветра приводит к возникновению вибрации проводов.

Вибрацией проводов называют вызываемые ветром периодические колебания натянутого в пролёте провода, происходящие в вертикальной плоскости с частотой 3...150 Гц и образующие по длине пролета ряд стоячих волн с относительно небольшими размерами колебаний.

Вибрация возникает под действием на ВЛ равномерного и постоянного поперечного ветра при скорости от 0,6 до 8 м/с. Она вызывает повреждение проводов, причиной чего является совместное действие статической нагрузки от натяжения поводов и динамических усилий, возникающих при вибрации и вызывающих в материале провода переменное, периодически изменяющееся с частотой вибрации механическое напряжение. Повреждения проводов от вибрации, как правило, появляются в поддерживающих зажимах, реже – в натяжных зажимах и в пролёте в местах выхода провода из соединителей большой длины. Для защиты проводов применяют различные гасители вибрации.

Ветер приводит к возникновению так называемой «пляски» проходов. Она появляется при значительных скоростях ветра (10...30 м/с) и в большинстве случаев при наличии на проводах гололёда. «Пляска» проводов характеризуется малой частотой и большой амплитудой колебаний, в результате чего создаются большие динамические нагрузки, которые могут привести к повреждению отдельных узлов крепления конструктивных элементов и схлёстыванию проводов.

Влага и химические элементы, входящие в составе воздуха, также воздействуют на конструктивные элементы ВЛ. Влага вызывает окисление проводов, арматуры, гниение деревянных опор. Химические элементы загрязняют поверхность изоляторов, вызывают коррозию проводов и других металлических элементов линий.

 

Опоры воздушных линий

Опоры поддерживают провода ВЛ на определённой высоте над землей, водой или каким-либо сооружением, обеспечивая требуемый габарит.

По числу цепей опоры, как правило, бывают одно- и двухцепные, иногда – многоцепные.

Конструкция опоры во многом определяется расположением на ней проводов.

На одноцепных линиях напряжением до 330 кВ, как правило, провода располагают треугольником (рис. 1, а). На одноцепных опорах напряжением 330 кВ и выше чаще применяют горизонтальное расположение проводов (рис. 1, б), что позволяет уменьшить высоту опоры и исключает схлестывание проводов при сбрасывании гололеда.

На двухцепных линиях иногда применяют расположение проводов «обратной ёлкой» (рис. 1, в), что удобно по условиям монтажа. Однако при этом увеличивается масса опор, так как требуется подвеска двух грозозащитных тросов. Чаще провода на них располагают шестиугольником (рис. 1, г).

Рис. 1. Расположение проводов на опорах: а – треугольном; б –горизонтальное; в – «обратной ёлкой»; г – шестиугольником

По назначению они делятся на анкерные, угловые, промежуточные и специальные.

Промежуточные опоры (рис. 2; 3, а; 4, а; 5, а, в, г) наиболее просты и служат для поддержания проводов на прямых участках ВЛ. В нормальном режиме они не испытывают усилий вдоль линии, и провода к ним крепятся через поддерживающие гирлянды изоляторов или в линиях 6–10 кВ – через штыревые изоляторы.

Анкерные опоры (рис. 4, в, г, д) предназначены для жёсткого закрепления проводов в особо ответственных точках ВЛ: на концах линий и прямых участков, на пересечении важных инженерных сооружений (железных дорог, автострад).

Угловые опоры устанавливают в точках, где линия делает поворот. Они могут быть анкерного (рис. 3, б, 4, б) и промежуточного (рис. 5, б) типов. При углах поворота до 20° на ВЛ применяются промежуточные опоры, а при больших углах – анкерные угловые. На угловые опоры действуют нагрузки от поперечных составляющих тяжения проводов, поэтому они сложнее промежуточных.

Специальные опоры бывают следующих типов: переходные (рис. 4, е) – для больших пролётов при пересечении рек, ущелий; транспозиционные (рис. 4, ж) – для изменения порядка расположения проводов на опоре; ответвительные – для выполнения ответвления от ВЛ.

В зависимости от материала опоры ВЛ делят на железобетонные, металлические и деревянные.

 

6 Провода воздушных линий

Провода ВЛ для обеспечения удобства монтажа и надёжной работы при эксплуатации должны обладать большой гибкостью, хорошей проводимостью, достаточной механической прочностью, коррозионной стойкостью и низкой стоимостью производства. Таким требованиям удовлетворяют провода из алюминия или сплава алюминия с легирующими примесями для повышения механической прочности, а также комбинированные сталеалюминиевые провода. На ВЛ в соответствии с ПУЭ могут использоваться также стальные провода.

По конструкции провода делятся на одно- и многопроволочные. На ВЛ практически применяются только многопроволочные провода, которые являются более гибкими.

Многопроволочные провода бывают монометаллические (алюминиевые) и комбинированные (сталеалюминиевые).

Алюминиевые провода марок А, Ап состоят из нескольких повивов проволок одного диаметра (рис. 7). В центре находится одна проволока, вокруг которой концентрически располагаются проволоки второго повива, затем третьего и т.д. При этом каждый следующий повив имеет противоположное на правление скрутки. Данные провода обладают невысокой механической прочностью и чаще применяются на ВЛ напряжением до 1 кВ.

Рис. 7. Конструкции алюминиевых проводов марок а – А70; б – А150; в – А300

Достаточно часто на ВЛ используются многопроволочные монометаллические провода марок АЖ и АН из алюминиевых сплавов повышенной прочности. Разрывное усилие проводов марок АЖ примерно на 80%, а проводов АН – на 30% превышает разрывное усилие алюминиевого провода того же сечения.

Стальные многопроволочные провода марки ПС иногда ещё используются на ВЛ сельскохозяйственного назначения.

К монометаллическим проводам относят полые провода (рис. 8), применяемые с целью снижения короны для ошиновки подстанций.

Рис. 8 Конструкция полого провода

Комбинированные сталеалюминиевые провода марок АС наиболее широко используются на ВЛ напряжением более 1 кВ. Они состоят из одно- или многопроволочного стального сердечника и внешних алюминиевых повивов (рис. 9). Токопроводящая способность провода обеспечивается наружными повивами проволок из алюминия, а механическая прочность – проволоками стального сердечника. Сталеалюминиевые провода вы пускаются с разными соотношениями сечений алюминиевой и стальной частей (А: С), которые характеризуют их электромеханические свойства. Область применения проводов марок АС с разным соотношением сечений А: С регламентируется ПУЭ.

 

Рис. 9. Конструкции сталеалюминиевых проводов марок: а – АС70/11; б – АС150/24; в – АС240/32; г – АС300/45;

При нечётном числе алюминиевых повивов (одно- и трёхповивные провода) увеличиваются потери мощности и электроэнергии в проводе на перемагничивание стального сердечника. ПУЭ рекомендуют при прочих равных условиях применять провода с чётным числом повивов алюминиевых проволок. Вместе тем, известны разработки конструкций сталеалюминиевых проводов, где для стального сердечника используется нержавеющая немагнитная сталь.

Для защиты алюминиевых проводов ВЛ от коррозии пространство между проволоками провода заполняется нейтральной антикоррозийной смазкой. Такие провода (марок АКП) могут применяться на суше и вблизи моря, где в атмосфере содержатся коррозийно-активные агенты.

С защитой от коррозии выпускаются сталеалюминиевые провода марок АСКС, АСК и АСКП. Максимальной коррозийной стойкостью обладают провода АСКП.

В качестве грозозащитных тросов ВЛ используются стальные канаты сечением 35...70 мм² или сталеалюминиевые провода марок АС35/35 и АС50/50.

 

 

 

7 Изоляция воздушных линий

В пролётах ВЛ основной изоляцией между проводами разных фаз является воздух.

Для изоляции и крепления проводов на опоре применяют линейные изоляторы, которые изготавливаются из фарфора или закалённого стекла. Они обладают высокой механической и электрической прочностью и долговечностью при работе на открытом воздухе. Существенным отличием стеклянных изоляторов является то, что при пробое закалённое стекло рассыпается и это облегчает поиск поврежденных изоляторов на линии.

По конструкции изоляторы разделяют на штыревые, подвесные и стержневые.

Штыревые изоляторы (рис. 10) применяются на ВЛ напряжением до 1 кВ, 6–20 кВ и реже – 35 кВ. Они крепятся к опорам на штырях или крюках (рис. 11) с помощью пластмассовых колпачков. Фарфоровые изоляторы на 35 кВ состоят из двух изолирующих элементов, армируемых цементной связкой.

 

Рис. 10. Штыревые изоляторы: а, б – фарфоровые на 0,38 и 10 кВ, в – стеклянный на 10 кВ; г – фарфоровый на 35 кВ

Подвесные изоляторы (рис. 12) применяются на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Они состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей части 7, шапки из ковкого чугуна 2, металлического стержня 3 и армирующей цементной связки 4. Подвесные изоляторы собираются в гирлянды, которые бывают поддерживающими (для промежуточных опор) и натяжными (для анкерных опор). Число изоляторов в гирлянде определяется напряжением линии: 35 кВ – 3...4 изолятора; 110 кВ – 6...8.

Рис. 12. Подвесной изолятор

Стержневые полимерные изоляторы (рис. 13) представляют собой несущий стержневой элемент из высокопрочных нитей стеклопластика. На него для увеличения поверхности изолятора армируются изоляционные тарелки. Такие изоляторы позволяют заменить целые гирлянды на ВЛ соответствующих классов напряжения. Масса полимерных изоляторов в несколько раз меньше массы гирлянд подвесных изоляторов.

Рис. 13. Стержневой изолятор

8 Компактные линии электропередачи

Компактными воздушными линиями электропередачи называют ВЛ, в которых провода фаз сближены до минимально допустимых расстояний с учётом технических ограничений. К таким ограничениям относятся: сближение проводов в пролете при возможных перемещениях, связанных с «пляской», сбрасыванием гололеда и несинхронными раскачиваниями; расстояния от проводов до заземленных частей опор; междуфазные расстояния с учётом возможных перенапряжений и условий ограничения коронного разряда.

Компактную ВЛ можно создать за счёт сближения проводов фаз в пролёте с помощью стяжек из электроизоляционных материалов (например, стержневых полимерных изоляторов), устанавливаемых в пролётах. При этом расстояния между фазами на опорах не изменяются.

Следующая группа компактных ВЛ связана с применением расщеплённых фаз нетрадиционной конфигурации (рис. 15). Они характеризуются тем, что расстояния между фазами уменьшены до предельно допустимых значений, а между проводами внутри фазы – увеличены, причём провода одной и той же фазы расположены определённым образом. Некоторые конструкции предполагают расщепление части фаз на две полуфазы (рис. 15, ж, з).

 

Рис. 14. Варианты опор «охватывающего» типа для компактных линий: а – с арочной траверсой для линии напряжением 500 кВ; б – с вантовой траверсой для линии напряжением 750 кВ

Рис. 15. Расположение проводов расщеплённых фаз компактных линий: а, б, в – плоское (б – плоскотреугольное); г – параболическое; д – эллиптическое; е – коаксиальное двухсегментное; ж – коаксиальное четырёхсегментное; з, и, к – коаксиальное

Компактная ВЛ характеризуется уменьшенной, по сравнению с традиционными конструкциями, индуктивностью, повышенной ёмкостью и, как следствие, сниженным волновым сопротивлением и повышенной натуральной мощностью.

 

9 Воздушные линии с изолированными проводами

В отличие от традиционных ВЛ здесь фазные провода не голые, а покрыты изоляцией. Толщина изоляции вполне обеспечивает необходимые изоляционные характеристики, позволяющие при напряжении 380 В представлять трёхфазную систему проводников в виде единого пучка (рис. 18).

Рис. 18. Конструкция самонесущего изолированного провода на напряжение 380 В:

1 – фазные провода; 2 – провод уличного освещения; 3 – несущий нулевой провод; 4 – изоляция

Самонесущие изолированные провода на 380 В состоят из трёхфазных изолированных проводов 1, изолированного провода уличного освещения 2, скрученных вокруг несущего нулевого неизолированного или изолированного провода 3. Проводники фазного и уличного освещения изготавливаются из обжатых многопроволочных алюминиевых проводов, покрытых светостойким термостабилизированным полиэтиленом 4. В качестве несущего нулевого проводника используется изолированный таким же полимерным покрытием или неизолированный обжатый многопроволочный проводник из упрочненного алюминиевого сплава или сталеалюминиевого провода. Несущий проводник закрепляется на опорах или фасадах зданий без изоляторов.

Для ВЛИ 0,38 кВ разработаны следующие типы опор: промежуточная, перекрестная промежуточная, угловая промежуточная, угловая промежуточная с оттяжкой, ответвительная, концевая, анкерная, ответвительная анкерная.

По сравнению с ВЛ традиционного типа ВЛИ имеют более высокую надёжность за счёт отсутствия стеклянных или фарфоровых изоляторов, исключения схлестывания проводов под действием ветра или качания веток деревьев, уменьшения обрывов благодаря применению несущего сталеалюминиевого провода, отсутствия отключений при попадании различных предметов на провода. Они более экономичны в процессе эксплуатации, затрудняют не учитываемый отбор мощности с линии за счёт невозможности несанкционированного присоединения нагрузки к ним.