Курс лекций по дисциплине: «воздушные и кабельные линии»

2005

Владимир список литературы

1. Александров Г.Н. Установки сверхвысокого напряжения и охрана окружающей среды. Учебн. пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. Отд-ние, 1989 – 360с.; ил.

2. Баркан Я.Д. Эксплуатация электрических систем: Учеб. Пособие для электроэнергетических спец. вузов.-М.: Высшая школа, 1990.-304с., ил.

3. Блок В.М. Электрические сети и системы. – М.: Высшая школа, 1986.

4. Веников В.А., Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока: учебн. пособие для вузов.-М.: Энергоиздат, 1985-272с.; ил.

5. Идельчик В.И. Электрические сети и системы. Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1989 592с.; ил.

6. Петренко Л.И. Электрические сети и системы. Киев: Вища школа, 1981.

7. Правила устройства электроустановок/ Минэнерго СССР. 6-е изд., перераб. И доп.-М.6: Энергоиздат, 1986.

8. Совалов С.А. Режимы Единой энергосистемы. М.: Энергоатомиздат, 1983

9. Справочник по проектированию электроэнергетических систем/ Под ред. С.С.Рокотяна и И.М.Шапиро.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

10. Электрические системы, т.2. Электрические сети. Под ред. В.А.Веникова. Учебн. пособие для электроэнерг. Вузов.-М.: Высшая школа, 1971, -440с.; ил.

11. Электрические системы, т.3. Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения. Под ред. В.А.Веникова. Учебн. пособие для электроэнерг. Вузов.- М.: Высшая школа, 1972, -368с.; ил.

1. Основные понятия и определения

1. Развитие электрических сетей и систем

Возникновение науки о передаче электрической энергии на большие расстояния следует отнести к 1880 г., когда Р.А. Лачинов дал первое теоретическое обоснование этого вопроса в статье «Электромеханическая работа», журнал «Электричество».

1882г. М.Депре спроектировал и построил первую ЛЭП 57км=тока мощностью~2кВт, U=1,5-2кВ. У приемников отсутствовали средства снижения U. В 1882 г. М.Ф.Усагин на Всероссийской промышленной выставке применил трансформатор для питания свечей П.М.Яблочкова. После этого стали применять для передачи электрической энергии однофазный ~ток, который так же не нашел широкого распространения из-за трудностей с пуском однофазного электродвигателя.

Новый путь в развитии передачи электрической энергии открыл М.О.Доливо-Добровольский, который в 1888г. изобрел 3х фазный генератор~тока и асинхронный 3х фазный двигатель.

В 1891г. им была осуществлена первая электрическая передача 3х фазного тока Лауфен-Франкфурт протяженностью 175км при U_ном=15, а затем 28кВ. После этого развитие техники передачи энергии по линиям 3х фазного тока характеризовалось непрерывным ростом И, Р и дальности передач.

В 1910г. были освоены линии эл. передач 110кВ, к 1920г. – ЛЭП 220кВ. В 1952г. в Швеции введена в эксплуатацию ЛЭП 380кВ. В 1959г. в СССР – 500кВ (Волжская ГЭС – Москва). В 1965г. в Канаде введена ЛЭП 735кВ. В 1967г. в СССР 750кВ (Канаково – Москва). В 1969г. в США введена ЛЭП 765кВ.

Широкое строительство ЛЭП в нашей стране началось в соответствии с планом ГОЭЛРО, разработанным в 1920г. по инициативе В.И.Ленина. Этот план, рассчитанный на 10-15 лет, предусматривал сооружение 30 новых электростанций общей мощностью 1750МВт и рост выработки электроэнергии до 8,8 млрд.кВт.ч, а также строительство сетей 35 и 110кВ для передачи мощности к узлам нагрузки и соединения электростанций на параллельную работу. По тому времени и с учетом тогдашнего состояния экономики и энергетики России это был невероятно смелый план. К чести российских энергетиков план ГОЭЛРО был выполнен уже в 1930 году, а к концу пятнадцатилетнего срока (1935г.) значительно перевыполнен: вместо 30 электростанций было сооружено 40; установленная мощность всех электростанций в 1935 году достигла 6900 МВт при выработке электроэнергии 26,8 млрд. кВт.ч. по производству электроэнергии тогдашний Советский Союз вышел на второе место в Европе и третье в мире после США и Германии. Несмотря на серьезные разрушения во время войны энергетика страны развивалась, и в 1947 году СССР по производству электроэнергии вышел на второе после США место в мире.

Но давайте обо всем по порядку.

• 1922г. – введена в работу первая ЛЭП 110кВ Кашира – Москва (начинается формирование электроэнергетических систем);

• 1932г. – введены в работу ЛЭП от Днепропетровской ГЭС 154кВ, поставлена задача проведения подготовки к созданию единой электрической сети страны;

• 1933г. – введена в работу ЛЭП Нижне-Свирская ГЭС – Ленинград с номинальным напряжением 220кВ и протяженностью 240км;

• 1935г. – в Ленинграде построен опытный участок ЛЭП 500кВ;

• 1956г. – построены и поставлены под напряжение первые ЛЭП 330 и 400кВ, в том числе ЛЭП Куйбышев – Москва протяженностью около 900км;

• 1961г. – ЛЭП 400кВ переведена на напряжение 500кВ, создаются объединенные энергетические системы и начинается формирование единой энергетической системы страны;

• 1967г. – построена и поставлена под напряжение первая опытно-промышленная ЛЭП 750кВ Конаково – Москва (подстанция Белый Раст);

• 1980г. – взят курс на освоение класса напряжения 1800кВ;

• 1985г. – начата опытно-промышленная эксплуатация электропередачи 1150кВ Экибастуз – Урал (Челябинск) на напряжении 1150кВ общей протяженностью 2000км.

В настоящее время на территории бывшего СССР построены и эксплуатируются более 1млн. км линий электропередачи (ЛЭП) напряжением 35кВ и выше, в том числе около 100 тыс. км линий сверхвысокого (СВН) и ультравысокого (УВН) напряжения. Системообразующими сетями страны являются сети 500 и 750кВ.

Для сравнения уровня развития электрических сетей России с мировым уровнем их развития в качестве примера можно указать страны, имеющие в составе своих электрических сетей ЛЭП переменного тока с высшим напряжением порядка 1млн. Вольт. В настоящее время 9 стран мира (указаны в порядке ввода по времени ЛЭП этих напряжений) – Канада, Россия, Украина, Беларусь, США, Франция, Бразилия и ЮАР – имеют ЛЭП 750кВ. С технической помощью СССР ЛЭП 750кВ сооружены в Венгрии, Польше, Болгарии и Румынии. Общая протяженность ЛЭП этого класса напряжения приближается к 20тыс.км ЛЭП напряжением 1150кВ функционируют в России и Казахстане, а 1000кВ – в Японии.

2. Структура электрических сетей и систем

Объединение электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии, называется энергетической системой (рис1).

Электрическими сетями называется совокупность ВЛ и К линий электропередачи и подстанций, работающих на определенной территории. Электрическая сеть служит для передачи электрической энергии от места её производства к местам потребления и распределения её между потребителями.

Под линией электропередачи (ЛЭП) (воздушной или кабельной) понимается электроустановка, предназначенная для передачи электрической энергии.

Вырабатываемая генераторами электрическая энергия преобразуется в энергию ВН на повысительных или питающих трансформаторных подстанциях. Понизительные п/станции называются понизительными или приемными. Приемные п/станции одновременно могут быть и питающими (тр-ры на более низкое U для ЛЭП).

Электрические установки, прием и распределение эл.энергии в которых производится на одном и том же И называется распределительными пунктами (р.п.)

Для передачи эл. энергии постоянным током на питающем конце эл. передачи сооружается выпрямительная п/станция, а на приемном конце – инверторная.

Электрические сети классифицируются по основным признакам следующим образом:

1. По роду тока: переменного и постоянного тока.

2. По номинальному напряжению: низкого, высокого и сверхвысокого напряжения.

3. По конфигурации: замкнутые и разомкнутые.

4. По назначению: системообразующие, питающие и распределительные

ЛЭП, идущая от ЦП к РП или непосредственно к п/станции без распределения электрической энергии по её длине называется питающей. Если по длине ЛЭП присоединено несколько ТП, она именуется распределительной.

РУс регулированием U под нагрузкой называются центрами питания (ЦП).

3. Номинальные напряжения и области их применения

Переменные напряжения с частотой 50 Гц в России разделяются на несколько групп:

1. низкие напряжения (НН) – ниже 1000В: (220В), 380В, (500В), 660В;

2. высокие напряжения (ВН) – выше 1000В до 330кВ: (3кВ), 6кВ, 10кВ, (20кВ), 35кВ, 110кВ, (150кВ), 220кВ;

3. сверхвысокие напряжения (СВН): 330кВ, 500кВ, 750кВ;

4. ультравысокое напряжение (УВН): 1150кВ.

В различных районах страны формировались две шкалы напряжений:

1. 110 (150) – 330 – 750кВ – западная шкала;

2. 110 – 220 – 500 – 1150кВ – основная (восточная шкала).

В настоящее время в Центре европейской части России в силу постоянного отставания темпов сетевого строительства от темпов роста электрических нагрузок и ввода генерирующих мощностей обе шкалы наложились друг на друга и сформировалась единая шкала: 110 – 220 – 330 – 500 – 750кВ.

Напряжение 3кВ имеет ограниченное распределение. Из 6 и 10кВ предпочтение отдается последнему. 20 и 150кВ имеются в Латвии, Украине и в Кольской энергосистеме.

35 и 110кВ широко применяются в местных и районных электрических сетях.

220кВ применяется взамен расширения сетей 110кВ при значительном росте нагрузок.

330кВ получили широкое распространение на Северо-западе и Юге (западная шкала).

Там, где пропускная способность ЛЭП мала, применяют 750кВ.

ЛЭП 500 и 750кВ являются системообразующими каждая в своей части страны.

4. Режимы нейтрали электрических сетей

Нейтрали трансформаторов, к обмоткам которых подключены ЛЭП, могут быть заземлены непосредственно через настроенные на емкость индуктивные сопротивления или изолированы от земли.

Если нейтраль соединена с землей непосредственно, она называется глухозаземленной, а сети – с глухозаземленной нейтралью. Существуют также сети с изолированной и компенсированной нейтралями.

Выбор режима нейтрали в электрических сетях до 1000В определяется главным образом безопасностью обслуживания сетей и требует в соответствии с ПУЭ глухого заземления нейтрали.

Схема сети 380/220 В с глухозаземленной нейтралью

При К.З. на поврежденной фазе протекают большие токи (I₃>500A). Предохранители перегорают. Сеть продолжает работать в неполнофазном режиме. Свыше 1000В обеспечивается автоматическое отключение поврежденного участка (АПВ).

Сети с изолированной нейтралью

Сеть высокого напряжения с изолированной нейтралью:

а – схема протекания емкостных токов в сети при замыкании фазы на землю;

б – векторная диаграмма напряжений и емкостных токов в нормальном режиме

и при замыкании фазы С на землю

Сети с изолированной и компенсированной нейтралью не требуют немедленного отключения. Можно спокойно перевести потребителя на резервное питание или подготовить к прекращению подачи электрической энергии. U_с=0, а напряжение других фаз увеличится в раз. Угол сдвига между векторами этих напряжений будет 60⁰_.

Сети до 35кВ работают с изолированной нейтралью, а сети с U=110кВ и более с глухозаземленной нейтралью.

Все КЛ 6-35 кВ и ВЛ 35кВ с суммарной длиной более 100км должны работать с компенсирующей нейтралью. Компенсация емкостного сопротивления () осуществляется включением в нейтральную точку трехфазной сети настроенного индуктивного сопротивления – дугогасящей катушки (реактора) с регулируемым воздушным зазором магнитопровода или со ступенчатым регулированием числа витков её обмотки.

5. Основы расчета электрических сетей

Электрические сети должны обеспечить:

а) бесперебойность электроснабжения

б) хорошее качество энергии

в) удобство и безопасность эксплуатации

г) экономичность

д) возможность дальнейшего развития без коренного переустройства сети

Требования в отношении надежности эл.снабжения зависят от характера эл. приемников.

I категория – нарушение эл.снабжения влечет опасность для жизни людей;

II категория – массовый недоотпуск продукции, городское население;

III категория – все остальное.

I категория – питание от двух независимых источников;

II категория – допустимы перерывы для включения резервного питания;

III категория – допустим перерыв до 24ч.

В процессе проектирования ЛЭП производят следующие расчеты:

1. Технико-экономический расчет должен обеспечить такой подбор U_ном, сечения проводов и кабелей при котором проектируемая сеть была бы наиболее экономичной.

2. Расчет на нагревание проводов и кабелей. Определяется величина тока, допустимая для данного сечения провода или кабеля при заданных условиях охлаждения или наоборот.

3. Расчет на потерю напряжения в линиях сети. В процессе расчета определяют величину U у потребителей. В случае недопустимых отклонений U разрабатывают способы регулирования U.

4. Расчет на механическую прочность позволяет выбрать рациональную конструкцию и оптимальный размер проводов, тросов, опор, изоляторов и других элементов ВЛ.

5. Дополнительные расчеты состоят в выявлении теплового действия токов К.З. на провода и кабели выбранных сечений, в установлении надежности работы в послеаварийных режимах и т.п..

6. Исходная информация, нормы и основной состав проектов конструктивной части воздушных линий

Проектирование конструктивной части ВЛ осуществляется в соответствии с действующими нормами с применением, как правило, унифицированных опор и фундаментов, стандартных марок проводов, тросов, линейной арматуры и изоляторов.

Основными этапами проектирования воздушной линии являются следующие:

1. расстановка опор по выбранной трассе линии;

2. выбор основных типов и марок унифицированных опор и их фундаментов;

3. расчет проводов и молниезащитных тросов при их работе в нормальных режимах и обрывах в пролетах;

4. расчет проводов и тросов для условий их монтажа и составление необходимой для этих режимов документации;

5. расчеты габаритов линий при пересечении ими технических сооружений;

6. проверочные расчеты отдельных опор и фундаментов, если это оказывается необходимым по условиям расстановки опор по трассе.

Помимо перечисленных этапов, непосредственно связанных с конструктивной частью ВЛ, при проектировании выполняют разработку основных положений подготовки трассы к строительству, организации эксплуатации линии, обеспечения её средствами связи и др.

7. Нормативные, климатические условия проектирования воздушных линий

Расчеты конструктивной части ВЛ выполняются в соответствии с районами прохождения их трасс, а также с районированием климатических условий территории страны по ветровому давлению, толщине гололедных образований, грозовой активности и интенсивности «пляски» проводов.

Давление ветра q_v , Па, связано с его скоростью v, м/с, соотношением q_v=0,613v³.

В табл. указаны нормативные значения ветрового давления (скоростного напора) q_vи. Эти значения относятся к высоте до 15м над уровнем поверхности земли.

Механические нагрузки от гололедных образований на проводах (тросах) определяются по данным табл., в которой приведены толщины стенки гололеда b_r.u условно цилиндрической формы при его плотности 900 кг/м³. данные значения b_r.u приведены к диаметру провода (троса) 10мм и расположению проводов (тросов) на высоте 10м над земной поверхностью; в определении расчетных значений толщины стенки гололеда b_r .

.

8. Выбор проводов и молниезащитных тросов, их физико-механические характеристики

Материалы проводов. Как правило, должны применяться провода алюминиевые, сталеалюминевые или из сплава алюминия марки АВ-Е; применение медных проводов без специальных обоснований не допускается, а также не рекомендуется применение стальных проводов.

При прохождении ВЛ в районах с повышенным содержанием сернистого газа, хлористых солей, по берегам морей, соленых озер, засоленных песков и т.п. необходимо применение проводов марок АКП, АСКС, АСКП, АСК, АНКП, АЖКП, АЖСКС.

Рекомендуется применение сталеалюминевых проводов марок АС 25/4,2; 35/6,2; 50/84 70/11; 95/16 во всех районах независимо от толщины стенки гололеда; АС 120/19, 150/24, 185/29, 240/32, 300/39, 330/43, 400/51, 450/56, и 500/64 при толщине стенки гололеда до 20мм; АС 120/27, 150/34, 185/43, 240/56, 300/66, 400/93, 450/56 и 500/64 при толщине стенки гололеда более 20мм; АС 185/128, 300/204, 500/336 в пролетах более 800м.

По условию отсутствия коронирования проводов допускаются минимальные диаметры проводов: 11,4мм при номинальном напряжении 110 кВ; 21,6мм при 220 кВ; 33,2мм при 330 кВ. В расщепленных фазах допустимо применение таких чисел и диаметров проводов: 2х21,6мм или 3х17,1мм при напряжении 330 кВ; 3х24,5мм или 2х36,2мм – 500кВ.

Молниезащитные тросы применяются на ВЛ с металлическими и железобетонными опорами при напряжении 35кВ только на подходах к подстанциям, а при напряжении 110кВ и выше по всей длине линии. Линии на деревянных опорах, как правило, не защищаются тросами, за исключением ВЛ напряжением 220кВ.

В качестве молниезащитных тросов обычно применяются стальные тросы ТК-9 на ВЛ напряжением 10-150кВ и ТК-11 на ВЛ напряжением 220-500кВ, а также сталеалюминевые провода марок 70/72 и 95/141 на ВЛ напряжением 750кВ.

При уточняющих расчетах стрел провисания проводов и тросов с учетом их вытяжки при монтаже и в процессе эксплуатации помимо эквивалентного модуля упругости Е применяются также модули удлинения: начального растяжения С (модуль неупругости), соответствующий первичной вытяжке провода при его монтаже и в начальный период эксплуатации, и предельного растяжения D (модуль релаксации).

9. Сведения о линейной арматуре и изоляции проводов

При применении унифицированных и типовых опор на ВЛ используется разнообразная линейная арматура: для прикрепления проводов к штырьевым или подвесным изоляторам, сцепки изоляторов в гирлянды; крепления изоляторов к опорам, молниезащитных тросов; демпфирования вибрации проводов и тросов; предупреждения схлестывания и опасных сближений проводов расщепленных фаз и проводов разноименных фаз и др. Выбор арматуры производится в соответствии-с её конкретным назначением, номинальным напряжением ВЛ, в зависимости от марок проводов и их числа в расщепленных фазах, от марок молниезащитных тросов и т.д.

Подбор линейной арматуры производится по разрушающим нагрузкам арматуры и изоляторов.

Выбор изоляторов для поддерживающих и натяжных гирлянд (соответственно к промежуточным и анкерным опорам) производится в зависимости от усилий, действующих по оси гирлянды в нормальных и аварийном режиме, возникающем при обрыве провода, и назначаемых коэффициентов запаса прочности (2,7 в нормальном режиме наибольшей нагрузке, 5,0 то же, но для средних эксплуатационных условий, 1,8-2,0 в аварийном режиме).