2.3. Изоляторы и арматура воздушных линий

2.3.1. Изоляторы. Изоляторы ВЛ – это электроизоляционные конструкции из фарфора, закаленного стекла или кремнийорганического материала, которые предназначены для изоляции и крепления проводов на ВЛ и в распределительных устройствах электрических станций и подстанций.

На ВЛ 110 кВ и выше должны применяться подвесные изоляторы, допускается применение стержневых и опорно-стержневых изоляторов.

Штыревые изоляторы применяются на ВЛ до 1 кВ и на ВЛ 6–35 кВ (35 редко). В условном обозначении буквы обозначают Ш – штыревой, Ф(С) – фарфоровый (стеклянный), цифра номинальное напряжение, последняя буква исполнение изолятора.

Подвесной изолятор тарельчатого типа (см. рис. 2.5) наиболее распространен на ВЛ 35 кВ и выше. Подвесные изоляторы состоят из фарфоровой (стеклянной) изолирующей части и металлических деталей  шапки, стержня, соединяемых с изолирующей частью посредством цементной связки.

Рис. 2.5.Подвесной изолятор тарельчатого типа

Для ВЛ в районах с загрязненной атмосферой разработаны конструкции изоляторов грязестойкого исполнения с повышенными разрядными характеристиками и увеличенной длиной пути утечки. В условном обозначении буквы обозначают П – подвесной, Ф(С) – фарфоровый (стеклянный), Г  для грязных районов, цифра класс изолятора, последняя буква исполнение изолятора.

На ВЛ 35 кВ должны применяться подвесные или стержневые изоляторы. Допускается применение штыревых изоляторов. На ВЛ 20 кВ и ниже должны применяться:

• на промежуточных опорах – любые типы изоляторов;

• на опорах анкерного типа – подвесные изоляторы.

Выбор типа и материала (стекло, фарфор, полимерные материалы) изоляторов производится с учетом климатических условий (температуры и увлажнения) и условий загрязнения.

На ВЛ 330 кВ и выше рекомендуется применять, как правило, стеклянные изоляторы; на ВЛ 35 – 220 кВ – стеклянные, полимерные и фарфоровые, преимущество должно отдаваться стеклянным или полимерным изоляторам.

2.3.2. Линейная арматура и средства повышения ее надежности. Линейная арматура, применяется для крепления проводов к изоляторам и изоляторов к опорам, делится на следующие виды: зажимы, применяемые для крепления проводов в гирляндах подвесных изоляторов; сцепную арматуру для подвески гирлянд на опорах и соединители для соединения проводов и тросов в пролете.

Соединения проводов и тросов следует производить при помощи соединительных зажимов и сварки.

На работу конструктивной части ВЛ оказывает воздействие механические нагрузки от собственного веса проводов и тросов, от гололедных образований на проводах, тросах и опорах, от давления ветра, а так же из-за изменения температуры воздуха. Из-за воздействия ветра возникает вибрация проводов (колебания с высокой частотой и незначительной амплитудой), а так же «пляска» проводов (колебания с малой частотой и большой амплитудой).

Указанные выше механические нагрузки, вибрации и «пляска» проводов могут привести к обрыву проводов, поломке опор, либо сокращению изоляционных промежутков, что может привести к пробою или перекрытию изоляции. На повреждаемость ВЛ влияет и загрязнение воздуха. При расчете надежности электроснабжения электроприемников по ВЛ городских электрических сетей учитывают: климатический район, в котором расположена ВЛ (всего их 5), нормативную толщину стенок гололеда (по районам) и нормативную скорость напора ветра. Для предотвращения повреждения проводов ВЛ от вибрации в необходимых случаях применяют петлевые или типовые виброгасители [11].

Фирма ОРГРЭС в 1997 году разработала ограничители гололедообразования и колебаний, а также гасители «пляски», которые обеспечивают защиту проводов и грозозащитных тросов ВЛ 110–500 кВ от гололедноветровых нагрузок. Работа ограничителей как комплексных устройств обеспечивает защиту проводов и тросов от следующих явлений:

• сверхрасчетного гололеда – за счет увеличения жесткости провода на кручение путем установки грузов (маятниковых гасителей) на рычаге, что способствует образованию одностороннего гололеда, масса которого меньше, чем отложение изморози цилиндрической формы;

• «пляски» проводов – за счет неравномерной установки в пролете ограничителей, момент инерции которых (из-за удлиненных рычагов и массы грузов) в десятки раз превышает момент инерции провода с гололедом, в результате чего гололед в подпролетах откладывается разной формы и с разными аэродинамическими характеристиками;

• вибрации – за счет использования в конструкции ограничителей элементов гасителя вибрации (грузов, гибких элементов).

Для защиты одиночных проводов грозозащитных тросов от всех видов колебаний и гололеда предлагаются четыре типоразмера ограничителя (ОГК), показанного на рис. 2.6. Марки ограничителей, их число в пролете и места установки выбираются в зависимости от диаметра провода и длины пролета. Для защиты от «пляски» проводов с расщепленной фазой на два и более провода предлагаются три типоразмера гасителя «пляски» (ГПР) с грузами 2,4; 3,2 и 4,0 кг. Эти гасители устанавливают на плашки горизонтальных дистанционных распорок (рис. 2.7). Ограничение массы гололеда гасителями ГПР достигается за счет увеличения крутильной жесткости всей фазы и эксцентричного крепления гасителя к проводу, что приводит к уменьшению закручивания отдельных проводов фазы.

Рис. 2.6.Общий вид ограничителя гололедообразования и колебаний типа ОГК, расположенного на проводе

Рис 2.7.Общий вид гасителя «пляски» ГПР, расположенного на проводе

Один из пассивных методов борьбы с «пляской» проводов – увеличение расстояния между ними или установка межфазовых изолирующих распорок, которые предотвращают сближение (схлестывание) проводов, удерживая их на расстоянии, принятом в проекте.

Межфазовые распорки одновременно повышают жесткость провода. При увеличении жесткости проводов снижаются гололедные нагрузки, что очень важно для обеспечения надежности ВЛ.

Появление полимерных изоляторов, в изделиях напряжением до 500 кВ, позволило довольно быстро расширить область их применения как средство борьбы с колебаниями при гололеде и ветре. В [12] приведено описание оригинальной конструкции для очистки проводов воздушных линий электропередач.

2.3.3. Анкерно-подвесная и соединительная арматура СИП. Кронштейны для анкерных зажимов. Кронштейны изготавливаются из неподверженного коррозии и воздействию погодных условий высокопрочного алюминиевого сплава методом литья с последующей термообработкой; сплав обладает повышенной устойчивостью к статическим и динамическим перегрузкам.

Универсальная конструкция кронштейнов обеспечивает их быструю установку на опорах с помощью болтов или полосок из нержавеющей ленты (обычно поставляемой отдельно). Кронштейны типа BQC («поросячий хвост»), устанавливаются в сквозные отверстия на опорах и фасадах зданий.

Различные модели кронштейнов могут использоваться для крепления, как только одного анкерного зажима (комплект анкерного крепления ЕАS), так и для использования их в двойных анкерных комплектах (EADS). Существуют также усиленные кронштейны, способные выдерживать нагрузку 2000 кг.(CS 10-2000; CS 3-2000).

Анкерные зажимы для магистральных СИП, подвешиваемых на опорах. Указанные зажимы относятся к невозвратному автоматическому клиновому типу; они включают: пару устойчивых к атмосферным воздействиям и ультрафиолетовому излучению клиньев из термопластика, контактирующих с изоляцией несущего провода и обеспечивающих двойную изоляцию жилы провода; открытый корпус, в котором размещаются клинья.

Корпус изготавливается из устойчивого к атмосферным воздействиям и ультрафиолетовому излучению термопластика или из неподверженного коррозии и влиянию погодных условий высокопрочного алюминиевого сплава с последующей термообработкой. Корпус имеет две анкерных точки, к которым крепятся концы гибкой строповой петли (трос из нержавеющей стальной проволоки), которую можно быстро ввести в паз кронштейна.

В месте подвеса петлю удерживает муфта, уменьшающая так же ее износ из-за неизбежных колебаний, вызываемых ветром.

Корпус анкерного клиновидного зажима фирмы изготавливается из алюминиевого сплава или из высокопрочного термосплава. Диапазон сечений изолированного несущего нулевого троса – от 54,6 до 70 мм². Зажим PA 35–1000 обеспечивает фиксацию несущего троса сечением 25-35 мм², при нагрузке до 1000 кг. Другие зажимы серии PA способны надежно удерживать трос сечением от 50 до 70 мм², и от 80 до 95 мм², причем нагрузка на несущий элемент варьируется от 1000 до 2200 кг. Для крепления неизолированного несущего троса – анкерный зажим РАМ, приспособленный для автоматического крепления провода. Размер сечений от 16 до 95 мм², на каждое сечение требуются соответствующий зажим.

Для натяжения самонесущего изолированного провода типа «АЛУС» (без несущего элемента) применяются зажимы, серии PS…PF которые фиксируют связку проводов механическим сжатием при помощи болтов с гайками – «барашками».

Анкерные зажимы для распределительных СИП. Поскольку распределительные СИП изготавливаются лишь из 2-х или 4-х свитых изолированных алюминиевых проводов, и поскольку имеется лишь два их стандартных размера, для их монтажа применяются простой и легкий зажим; сам монтаж осуществляется очень быстро. Зажим состоит из петли, а так же клиньев и корпуса, которые изготавливаются из термопластика, устойчивого к ультрафиолетовому излучению. Анкерный ответвительный зажим PC 63 F 27 способен фиксировать 2 или 4 провода сечением от 6 до 35 мм².

2.3.4. Классификация отказов линейной арматуры ВЛ. Анализ причин технологических нарушений в работе энергосистем позволяет классифицировать отказы ВЛ, в частности отказы, вызванные нарушением работоспособности линейной арматуры [13]. Основные причины отказов можно разделить на четыре группы: дефекты изготовления, сборки, ремонта и пр.; атмосферные явления, превышающие их расчетные значения; знакопеременные нагрузки на провод (вибрация, «пляска», большие температурные перепады); прочие посторонние воздействия.

Данные о нарушении работоспособности линейной арматуры за последние годы приведены в табл. 2.3.

Из табл. 2.3 видно, что основная причина нарушения работоспособности арматуры – дефекты изготовления, монтажа и ремонта, составляющие 50 % общего числа повреждений. Второе место занимают повреждения линейной арматуры от знакопеременной нагрузки – 33,4 %. С первой причиной необходимо бороться посредством повышения контроля при изготовлении, монтаже и эксплуатации линейной арматуры.

Таблица 2.3

Нарушение работоспособности линейной арматуры

Причина отказов	Число отказов / процент общего числа по годам
	1996	1997	1998	1999
Дефекты изготовления, ремонта, сборки	27/50	21/43,8	42/58,3	35/47,9
Атмосферные явления	7/13	8/16,7	8/11,1	6/8,3
Знакопеременные нагрузки	18/33,3	19/39,5	22/30,6	22/30,1
Прочие посторонние воздействия	2/3,7	-/-	-/-	10/13,7
Всего	54/100	48/100	72/100	73/100

Повреждения от действия знакопеременных нагрузок носят усталостный характер, который учесть расчетом не представляется возможным. Для оценки линейной арматуры необходимо проводить испытания на усталость, которые в [13] не предусмотрены. Основные факторы, приводящие к усталостным повреждениям линейной арматуры – вибрация и «пляска» проводов и грозозащитных тросов.

Пример повреждения линейной арматуры на действующих ВЛ, вызванные вибрационными нагрузками: ВЛ 110 кВ – переходы через реки Северная Двина и Волга, ВЛ 500 кВ Арзамасская – Южная и Арзамасская – Северная (переход через р. Ока) и пр. Из-за вибрации разрушаются реборды роликов подвесного зажима, защитные муфты и происходит истирание самого провода.

Примеры повреждения линейной арматуры, вызванные «пляской» проводов: ВЛ 500 кВ Азот – Бугульма, повреждение цапф АП-25Б. При «пляске» проводов происходит истирание приливов и возникают трещины усталостного характера, излом цапф привел к падению провода; истирание и разрыв скоб СКТ-16-1 на анкерных соединениях из-за «пляски» проводов ВЛ 500 кВ Ростовская АЭС – Буденновск, привело к падению 11 опор.

Правильная оценка надежности линейной арматуры ВЛ и открытых распределительных устройств (ОРУ) способствует повышению надежности линий электропередачи в целом. Для этого необходимо определить прочность при действии статических и циклических нагрузок, возникающих на ВЛ от ветра, температуры, гололеда и пр. Статические нагрузки, испытываемые арматурой от массы и тяжения проводов и грозозащитных тросов, определяются расчетом при испытании, проводимом в соответствии с [13]. Испытания арматуры на циклические нагрузки российскими нормами не предусмотрены, а определение расчетом циклических нагрузок от «пляски», вибрации и других явлений, действующих на арматуру совместно с проводом (тросом), не представляется возможным. При определении абсолютных значений циклических нагрузок и их направлений необходимо исходить из вида арматуры в зависимости от ее назначения (сцепная, поддерживающая, соединительная, защитная, ремонтная), опыта испытаний арматуры на вибрацию и «пляску», опыта эксплуатации ВЛ.

Влияние арматуры на усталостные повреждения проводов отмечается в точках подвеса провода и местах установки гасителей и соединительных зажимов.

Эти точки находятся у выхода из поддерживающего и натяжного зажимов или зажима гасителя, где максимальные изгибающие моменты сочетаются с истиранием от поперечных сил (между отдельными проволоками провода, между арматурой и проводом).

Анализ существующих методов испытаний в России и за рубежом показал, что для обеспечения надежной работы провода с поддерживающей, сцепной и защитной арматурой необходимо проводить следующие механические испытания:

• знакопеременными нагрузками в целях проверки конструкции зажимов в динамическом режиме загружения с определением ее влияния на прочность провода (троса) (испытания проводятся в режиме вибрации или «пляски» проводов в условиях плоского изгиба в специальных пролетах) или на стендах;

• сцепной и соединительной арматуры пульсирующей продольной нагрузкой с параметрами, близкими к условиям реально ВЛ;

• защитной арматуры на усталость.