Устройство и основные элементы воздушных линий электропередач.
Введение.

К воздушным линиям электропередачи (ВЛ) относятся сооружения, предназначенные для передачи электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе. Провода крепятся изоляционными элементами к конструкциям, именуемыми опорами ВЛ. В качестве опор используются специально созданные для этой цели конструкции, а в отдельных случаях — конструкции, имеющие другое основное назначение, например, эстакады, мосты, дымовые трубы, здания и т.п. Конструкция ВЛ в значительной степени зависит от номинального напряжения электрической сети переменного тока.
Воздушные линии напряжением до 1 кВ называются линиями низкого напряжения (НН), 1 кВ — 35 кВ — среднего напряжения (СН). Линии напряжением 110 кВ — 330 кВ — высокого напряжения (ВН), 400 кВ — 750 кВ принято называть линиями сверхвысокого (СВН), а более 1000 кВ — ультравысокоrо напряжения (УВН).
Основными элементами ВЛ являются: провода, изоляторы и арматура, опоры и основания опор.
Низковольтные линии представляют собой простейшие сооружения в виде одиночных столбов, заглубленных непосредственно в землю, с укрепленными на них металлическими штырями и изоляторами, к которым прикреплены провода. Линии СН 3 — 20 кВ принципиально не отличаются от линий НН, однако благодаря большим расстояниям между фазами и между проводами и землей размеры элементов (столбов, штырей, изоляторов) увеличены. Линии СН 35 кВ и выше конструктивно более сложны. Это связано с применением более тяжелых проводов, большими размерами изоляционных конструкций и большими расстояниями между фазами и между проводом и землей. В большинстве случаев изоляционные устройства на таких линиях крепятся на специальных траверсах, а сама изоляция выполняется составной из нескольких элементов, образующих подвесную конструкцию. Более сложными для таких линий являются конструкции опор их оснований, представляющие собой составленные из отдельных простых элементов фермы, порталы и другие конструктивные схемы.
Воздушные линии напряжением 330 кВ и более имеют еще более сложную конструкцию, так как каждая фаза выполняется из двух или более проводов, более сложная конструкция и у изоляционных устройств.
Рассмотрим участок ВЛ, имеющий одиночные провода в фазе и подвесную конструкцию изоляции.

В зависимости от способа закрепления провода на опоре различаются два типа изоляционных устройств и два типа опор. На опорах III и IV провода подвешены к вертикальным изолированным подвескам, именуемым поддерживающими.
На опорах I, II и V провода прикреплены к наклонным изолированным подвескам, являющимся продолжением провода и называемым натяжными. Поддерживающие изолирующие подвески воспринимают в основном весовую нагрузку провода, натяжные- помимо весовой воспринимают также тяжение провода.
Опоры, на которых провод подвешен к поддерживающим подвескам, называются промежуточными, а опоры с натяжными подвесками - анкерными. Участок провода, расположенный между концами натяжных подвесок, называют шлейфом. Шлейф должен быть удален от заземленных частей опор на достаточное расстояние, исключающее перекрытие с провода на опору.
Если в одном из пролетов, смежном с промежуточной опорой, произойдет обрыв провода или изменение внешних нагрузок, то под воздействием возникшей разности тяжений в пролетах поддерживающая подвеска отклонится в сторону пролета с большим тяжением.
В пролетах, примыкающих к анкерной опоре, провод другого смежного пролета не реагирует на изменение тяжения первого, так как точки крепления натяжных подвесок каждого пролета независимы, а сама анкерная опора неподвижна. Вследствие этого основное назначение анкерных опор - преграждать распространение влияния изменившегося состояния провода на участке ВЛ, расположенном с одной стороны от анкерной опоры, на участок, расположенный с противоположной стороны от опоры. Крепление на анкерной опоре обеспечивает неизменность положения провода в одном смежном пролете при любом изменении тяжения в другом вплоть до обрыва, а на промежуточной опоре - только изменение тяжения до определенного значения, после превышения которого происходит разрушение узла крепления.

Промежуточные опоры устанавливают на прямых участках трассы, анкерные - в специальных местах, где требуется повышенная надежность работы элементов ВЛ, например, на переходах через ответственные сооружения, через природные препятствия и т. п.

На углах поворота трассы могут устанавливаться как промежуточные, так и анкерные опоры, если установка анкерных опор не обусловлена условиями переходов. Обычно, из экономических соображений, на небольших углах поворота до 10° устанавливаются промежуточные опоры, а на больших - анкерные.

Участок линии, расположенный между двумя соседними опорами, называется пролетом. Если опоры одинаковой высоты установлены на ровной местности, то длина пролета равна горизонтальному расстоянию между центрами опор. Если же опоры установлены на разной высоте или они отличаются между собой высотой подвески отдельных фаз, то различают горизонтальный пролет - горизонтальное расстояние между центрами опор и наклонный пролет - расстояние между точками подвеса провода на опорах. Горизонтальный пролет называют просто пролетом.
Длина пролета зависит от высоты подвеса провода на опорах и от кривизны провода. Мерой кривизны провода принято считать стрелу провеса - расстояние от прямой, соединяющей точки подвеса, до точки провода.
Пролет, ограниченный двумя анкерными опорами, называется анкерным. Анкерные пролеты выполняются на переходах через железные дороги и другие ответственные сооружения. Часть ВЛ, ограниченная анкерными опорами, между которыми установлены и промежуточные опоры, называется анкерным участком. Длина анкерного участка на ВЛ с подвесными изоляторами не ограничивается, прямолинейный участок трассы, не имеющий поворотов, может быть выполнен только на промежуточных опорах независимо от его длины.
В зависимости от условий работы различают следующие типы опор: промежуточные, промежуточные угловые, анкерные, анкерные угловые, концевые и специальные. Опоры, устанавливаемые на углах поворота трассы, испытывают постоянное тяжение, направленное по биссектрисе внутреннего угла поворота и равное геометрической сумме тяжений от проводов в смежных пролетах. На промежуточной угловой опоре с подвесными изоляторами под воздействием этого тяжения поддерживающая подвеска отклоняется от вертикали.
Концевые опоры имеют анкерное крепление проводов и устанавливаются по концам линий, а также в местах на трассе, где имеет место большая разность тяжений проводов в смежных пролетах. Такие условия возникают, например, в случае применения различных марок проводов на соседних участках или различных расчетных условий на них. К специальным относятся опоры большой высоты, применяемые для осуществления протяженных переходов и пересечений инженерных сооружений, опоры в сложных геологических и рельефных условиях, например, на болотах, в поймах рек, на гребневых участках в горных условиях и т. п. Чем больше анкерных и специальных опор на линии, тем она дороже и сложнее в строительстве и эксплуатации. При выборе направления трассы необходимо отдавать предпочтение вариантам, требующим меньшего числа таких опор.

Воздушные линии высокого напряжения имеют дополнительные элементы, используемые для повышения надежности работы линии, а также в целях безопасности. На линиях или отдельных участках ВЛ напряжением 35 кВ и более подвешиваются грозозащитные тросы. Подвеска тросов осуществляется на ВЛ, проходящих в районах с интенсивной грозовой деятельностью. Грозозащита ВЛ с помощью тросов является весьма эффективным средством, повышающим надежность ее работы. На ВЛ 110 кВ и выше тросы подвешиваются по всей длине линии, на ВЛ 35 кВ - на участках, примыкающих к подстанциям. На ВЛ напряжением менее 35 кВ тросовая грозозащита не применяется из-за экономической неоправданности для линий этого класса.
Опоры ВЛ заземляются с помощью естественных или искусственных заземляющих устройств. Заземлению подлежат все опоры, на которых подвешены грозозащитные тросы. В этом случае заземляющие устройства служат для отвода токов молнии в землю. В сетях с заземленной нейтралью (ВЛ переменного тока напряжением 110 кВ и выше) заземляющие устройства обеспечивают определенный уровень токов короткого замыкания (КЗ) нулевой последовательности, необходимый для работы релейной защиты. В сетях с изолированной нейтралью опоры заземляются с целью защиты людей и животных от поражения токов в случае прикосновения или приближения к опоре в период замыкания фазы на землю. Заземляются опоры в населенных местах и местах, часто посещаемых людьми и животными. Искусственные заземлители выполняются из заглубленных стержней, соединенных стальной полосой, или в виде контуров и лучей, заглубляемых в грунт и присоединяемых плотно к элементам опор.
К дополнительным элементам ВЛ относятся гасители вибрации проводов и тросов, компенсирующие грузы - балласты, подвешиваемые к изолирующим подвескам с целью предотвращения их чрезмерного отклонения от вертикали, устройства для перемены взаимного местоположения фаз на опорах, называемого транспозицией проводов. Транспозиция проводов способствует выравниванию индуктивных и емкостных сопротивлений фаз на ВЛ большой протяженности, благодаря чему обеспечивается симметрия токов и напряжений по концам линии. Для устройства транспозиций проводов применяются дополнительные натяжные подвески, устанавливаемые последовательно вдоль провода, рассчитанные на линейное напряжение сети, а также поддерживающие, предназначенные для обводки шлейфов.
Для обеспечения бесперебойной работы ВЛ в процессе эксплуатации их рассчитывают на воздействие гололедно­ветровых нагрузок, имеющих определенную нормируемую вероятность появления в данном районе за время эксплуатации ВЛ.
Гололедно-ветровые воздействия носят случайный характер, поэтому можно говорить об определенной вероятности безотказной работы ВЛ. Следовательно, если рассчитать ВЛ на определенные значения природных воздействий, то всегда существует вероятность (незначительная) появления воздействий большей величины, которые могут вызвать повреждения отдельных элементов или целых участков ВЛ. Установление целесообразных соотношений между уровнем учитываемых при расчете ВЛ внешних воздействий и ее стоимостью является сложной технико-экономической задачей, зависящей от многих факторов. Однозначные требования в этой части устанавливаются ПУЭ.
Бесперебойность работы ВЛ может быть нарушена и по случайным причинам, не связанным с природными факторами: из-за: заводских дефектов в материале проводов и опор, падения деревьев на провода, наездов транспорта, работы кранов и экскаваторов под проводами ВЛ, попадания на ВЛ самолетов, взрывов при строительстве дорог и каналов, набросов на провода и др.
При проектировании схем электроснабжения потребителей и межсистемных связей учитывается определенная вероятность выхода из строя ВЛ.

При нарушении нормальной работы ВЛ необходимо ее быстрейшее восстановление. Срок и объем восстановительных работ зависят от размеров разрушений. Обрывы проводов и тросов в отдельных пролетах, повреждения гирлянд изоляторов относятся к быстро восстанавливаемым повреждениям и с такого рода авариями необходимо считаться, как с неизбежными. Повреждения опор и фундаментов приводят к гораздо большему объему восстановительных работ и связаны с длительным сроком отключения линии. Учет таких аварий более сложен в связи с большим удорожанием ВЛ. Расчет конструкций опор и фундаментов ведется таким образом, чтобы не происходило их повреждения как при реальных нагрузках, так и при обрыве части проводов или тросов. В правильно запроектированной механической системе, которой является ВЛ, должен быть соблюден принцип координации механической прочности элементов, заключающийся в том, что чем больший объем восстановительных работ требует данный элемент при повреждении, тем с большей надежностью он должен быть рассчитан. Этот принцип обычно выдерживается при составлении норм проектирования.
Все элементы ВЛ рассчитываются на условия нормальных и аварийных режимов работы. К нормальным режимам относятся режимы при необорванных проводах, тросах и изолирующих подвесках. К аварийным относятся режимы при обрыве части проводов, тросов или изолирующих подвесок. Как в нормальных, так и в аварийных режимах предполагается неповрежденное состояние конструкций опор и фундаментов.
Основными сочетаниями условий работы ВЛ в нормальном режиме являются условия наибольших механических нагрузок, возникающие при максимальных расчетных скоростях ветра и максимальных гололедообразованиях, а также условия при различных температурах воздуха. Условия экстремальных нагрузок и температур имеют место в течение небольшого периода времени, исчисляемого днями или месяцами за весь срок службы линии, что обусловлено достаточно редкой повторяемостью этих явлений. Условия умеренных температур при отсутствии сильных ветров и гололедов являются преобладающими во времени. Наиболее часто повторяющимися являются условия при среднегодовой температуре воздуха и отсутствии ветра и гололеда. Такие условия принято называть среднеэксплуатационными.
Аварийные режимы могут возникнуть при самых различных климатических условиях и поэтому опоры в этих режимах рассчитываются на условные нагрузки. Основная цель таких расчетных схем заключается в обеспечении достаточной прочности опор и фундаментов для большинства аварийных ситуаций. Для опор анкерного типа эти нагрузки принимаются более тяжелыми, чем для промежуточных. Различие нагрузок выражается как в числе условно обрываемых проводов, так и в климатических условиях, сопровождающих обрыв.
Схема работы элементов ВЛ в некоторых режимах не является статичной. Так, в нормальном режиме, при воздействии пульсирующей неравномерной ветровой нагрузки провода, подвески и опоры также испытывают переменную во времени нагрузку. Однако колебания нагрузки вокруг некоторого среднего значения незначительны, что позволяет принимать ее постоянной во времени. В аварийных режимах происходит переходный механический процесс, длящийся несколько секунд. В момент обрыва или в первый полупериод переходного процесса возникают наибольшие усилия в элементах опор из-за динамического удара, затем процесс затухает, и система переходит в новое статически равновесное состояние. Кратковременность переходного процесса, равно как и общая редкая повторяемость аварийных режимов, позволяет вести расчет элементов линии исходя лишь из статической схемы нагрузок.
При эксплуатации ВЛ иногда возникают режимы, которые могут нарушить нормальную эксплуатацию, но не приводят к обрыву проводов. Такие режимы называются особыми. Это прежде всего режимы, связанные со специальными колебаниями проводов: высокочастотными, именуемыми вибрацией проводов, низкочастотными, именуемыми пляской проводов, и субколебаниями проводов расщепленной фазы. Борьба с этими вредными явлениями требует разработки ряда мероприятий как при проектировании ВЛ, так и в процессе эксплуатации. К особым относятся режимы сброса гололеда и неравномерной нагрузки проводов гололедом. Такие режимы опасны для ВЛ с вертикальным расположением проводов, проходящих в сильно гололедных районах, так как при этом возможно схлестывание разных фаз с нарушением нормальной работы ВЛ.