Изоляторы и линейная арматура

Классификация опор

Многообразие применяемых в электросетевом строительстве типов опор влечет за собой необходимость их классификации по целому ряду признаков. Они приведены в табл. 10.6, где также представлены соответствующие каждому признаку разновидности опор, а также некоторые краткие комментарии.

Итак, по количеству трехфазных цепей различают опоры:

· одноцепные, которые применяются при сооружении ВЛ любых номи­нальных напряжений;

· двухцепные, которые в России применяются для ВЛ 35—330 кВ, а за рубежом и на линиях 380—500 кВ;

· многоцепные, которые применяются за рубежом в густонаселенных районах с высокой стоимостью земли для экономии территории, отчуждаемой под трассу ВЛ. В качестве примера такой конструкции на рис. 10.4 показана металлическая шестицепноя опора комбинированной ВЛ, где на верхних двух ярусах расположены фазы двух цепей 380 кВ, под ними размещены две цепи 220 кВ, а на нижней траверсе подвешены две цепи 110 кВ. Вертикальный размер этой опоры составляет 63,4 м, зато горизонтальный габарит — только 34 м.

Основанием второго признака служит способ крепления проводов. Здесь в первую очередь выделяются промежуточные опоры, на которых провода закрепляются в поддерживающих зажимах. Это основной тип опор, составляющий около 90 % их общего числа. Кроме них выделяются анкерные опоры, на которых провода закрепляются в натяжных зажимах. Эти опоры расположены по концам анкерного пролета (анкерованного участка), эскиз которого был показан на рис. 10.2.

По положению на трассе различают опоры, расположенные на прямых ее участках, и угловые (или анкерные угловые), расположенные в точках изменения направления (поворота) трассы линии. В этих точках на опору действует сила тяжения проводов и тросов, направленная по биссектрисе внутреннего угла. Поэтому в отличие от обычной промежуточной опоры угловая должна иметь раскосы, противодействующие опрокидывающему моменту в направлении действия этой силы. При углах поворота, превышающих 20 °, устанавливают анкерные угловые опоры.

По конструктивному выполнению опоры делятся на свободностоящие и на оттяжках. Применение металлических тросовых оттяжек, которые крепятся с одной стороны к верхним частям опоры, а с другой стороны к анкерным плитам, заглубленным в грунт на 2—3 м, обеспечивает устойчивость опоры и по сравнению со свободностоящими опорами позволяет значительно сократить расход материала, из которого изготавливаются элементы опоры, а следовательно, и ее стоимость.

В качестве материала для изготовления опор используются древесина, железобетон и сталь. Деревянные опоры в России применяют на ВЛ с номинальным напряжением до 220 кВ включительно, хотя в США есть опыт строительства ВЛ 345 кВ на опорах из клееной древесины [10.7]. В качестве примера на рис. 10.5 показана одноцепная свободностоящая промежуточная деревянная опора ВЛ 110 кВ.

Нижние части опоры (пасынки) заглублены в землю на 2,5 м. Для повышения прочности заделки опор в грунте к пасынкам крепятся поперечные ригели. В настоящее время применяются опоры с железобетонными пасынками, что способствует увеличению срока службы опор. Последний определяется стойкостью древесины к гниению. Поэтому все остальные элементы — стойки, траверса и раскосы (или перекрестные ветровые связи) пропитываются антисептиком. Для их изготовления используется древесина лиственницы или сосны. Стойки соединяются с пасынками проволочными бандажами.

Унифицированные железобетонные опоры в России применяются для сооружения ВЛ с номинальным напряжением до 500 кВ включительно. Они имеют металлические траверсы и тросостойки. Стойки изготовляют из вибрированного или центрифугированного железобетона. В первом случае они имеют двутавровое, квадратное или прямоугольное сечение. Стойки из центрифугированного железобетона имеют кольцевое сечение и цилиндрическую либо коническую форму. Двухцепные одностоечные железобетонные опоры применяют при напряжениях 110—220 кВ, одноцепные (одно- и двухстоечные) на линиях 35—500 кВ. В качестве примера на рис. 10.6 показана промежуточная одноцепная свободностоящая железобетонная опора ВЛ 220 кВ с треугольным расположением проводов (на рисунке не показаны). Ее стойка имеет длину 26 м и заглубляется в грунт на 3,3 м.

Металлические опоры применяются во всем диапазоне номинальных напряжений (35—1150 кВ). Их основными элементами являются ствол (у свободностоящих опор башенного типа) или стойки (у портальных и V-образных опор), траверсы в форме пространственных ферм, тросостойки и оттяжки, если они предусмотрены конструкцией. На рис. 10.7 представлены примеры промежуточных металлических опор перечисленных выше типов (башенного, портального и V-образного).

Ствол башенной опоры состоит из четырех вертикальных поясов из стальных угольников, связывающих соседние пояса раскосов, образующих решетку, и диафрагм (горизонтальных крестообразных связей поясов), придающих опоре жесткость и устойчивость. По способу сборки металлические опоры могут быть сварными и болтовыми. Сварные опоры изготовляются на заводе секциями, размеры которых лимитируются условиями транспортировки на трассу, где эти секции сочленяются с помощью болтов. Болтовые опоры полностью собираются на трассе. Их преимуществами являются большее удобство транспортировки составных элементов и упрощение технологии защиты от коррозии (горячей оцинковки) этих элементов в заводских условиях. Примеры различных конструкций металлических опор читатель может видеть на рис. 10.8.

Наряду с описанными выше металлическими решетчатыми опорами (МРО) перспективным направлением является применение многогранных металлических опор (ММО). В мировой практике опыт строительства ВЛ с использованием ММО насчитывает около 40 лет. Внешний вид таких опор аналогичен виду железобетонных опор (см. рис. 10.6). Отличие состоит в том, что стойки таких опор собираются из полых конусообраз­ных секций длиной 11 —12 м, каждая из которых в поперечном сечении имеет форму многогранника. Так, например, стойка ММО 110 кВ состоит из двух 12-гранных секций длиной 11,45 м каждая с толщиной стенки 6 мм [10.12]. Сопоставление ВЛ 35—220 кВ, сооружаемых с использова­нием упомянутых выше видов опор (ЖБО, МРО и ММО), показало эко­номическую эффективность ВЛ на ММО как по критерию минимума инвестиций (капиталовложений), так и по критерию минимума дисконти­рованных затрат. Однако в настоящее время в России существует лишь одно предприятие, оснащенное оборудованием для изготовления много­гранных стоек.

Помимо перечисленных выше выделяется группа опор специального назначения. К ним относятся транспозиционные, ответвительные и переходные опоры. Транспозиционные опоры устанавливаются по концам участков цикла транспозиции (рис. 10.9).

Под транспозицией понимается циклическая перестановка фаз с целью снижения несимметрии систем векторов токов и напряжений в конце линии (при симметричных системах этих векторов в ее начале), вызываемой различием реактивных параметров фаз (индуктивностей и емкостей) вследствие несимметричного расположения проводов на опорах. На линиях длиной до 100 км обычно осуществляется один цикл транспозиции, если это допустимо по условиям влияния на проводные линии связи, прокладываемые параллельно ВЛ. Ответвительные опоры служат для выполнения ответвлений от основной линии, а переходные — для осуществления переходов через реки и другие водные пространства. Высота последних в ряде случаев достигает 100 м.

На одноцепных опорах в настоящее время применяют два расположения проводов — по вершинам треугольника (на ВЛ 35—330 кВ с железо­бетонными и стальными опорами) и горизонтальное (на всех ВЛ напряжением 220 кВ и выше и на ВЛ 35—110 кВ с деревянными опорами). На двухцепных опорах рекомендуется расположение проводов по вершинам шестиугольника (типа «бочка»).

Изоляторы ВЛ изготавливают в основном из фарфора или закаленного стекла. Вместе с тем, в последние два десятилетия все шире начинают применяться и полимерные изоляторы. Фарфор и стекло обладают высокой стойкостью к атмосферным воздействиям, достаточно высокой механической и электрической прочностью. Стеклянные изоляторы легче фарфоровых, лучше противостоят ударным нагрузкам и не растрескиваются, а рассыпаются при пробое, что облегчает визуальное нахождение места повреждения при осмотрах линии.

Конструктивно различаются два вида стеклянных и фарфоровых изоляторов — штыревые и подвесные. Штыревые (рис. 10.10, а) применяются на ВЛ до 35 кВ включительно. Корпус изолятора имеет внутреннюю резьбу и навинчивается на металлический штырь или крюк. Провод укладывается в углубление на головке изолятора и закрепляется проволочной вязкой. В марке изолятора присутствует обозначение типа (Ш), материала (С или Ф), номинального напряжения (в киловольтах) и исполнения (А, Г и др.). Так, например, изолятор ШС10-Г (грязестойкого исполнения, т.е. для районов с загрязненной атмосферой) имеет высоту 145 мм, диаметр корпуса 160 мм и массу 2,1 кг.

Подвесные изоляторы (рис. 10.10, б) применяются на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Марка изолятора содержит буквы П (подвесной), С (стеклянный) или Ф (фарфоровый), Г (грязестойкий) и А , Б, В, Д (обозначение модификации). Цифрой обозначается максимальная (разрушающая) механическая нагрузка в килоньютонах (кН), например ПФ70-В, ПСГ120-А, ПС400-А и т. п.

Конструкция подвесного тарельчатого изолятора состоит из трех основных элементов [10.13]:

· стеклянной или фарфоровой изолирующей детали в виде тела вращения с ребрами на нижней поверхности и с внутренней полостью конической или цилиндрической формы;

· шапки из ковкого чугуна, в верхней части которой имеется сферическая полость (гнездо), предназначенная для шарнирного сопряжения с другим изолятором;

· стержня, нижняя головка которого имеет сферическую поверхность, сопрягаемую с соответствующей поверхностью в гнезде шапки.

Прочное соединение металлических деталей подвесного изолятора с изолирующей деталью достигается за счет конической формы сопрягаемых частей шапки, изолирующей детали и верхней головки стержня, пространство между которыми заполняется цементным раствором (позиция 4 на рис. 10.10, б), обеспечивающим их прочное соединение.

Подвесные изоляторы собираются в гирлянды путем введения в сферическое гнездо шапки головки стержня смежного изолятора. Для предотвращения расцепления сферический шарнир изоляторов запирается замком М-образной или шплинтообразной формы (позиция 5 на рис. 10.10, б).

Количество изоляторов в поддерживающей гирлянде n_из определяется в основном значением номинального напряжения линии, а также степенью загрязненности атмосферы, материалом опоры и типом изолятора. При использовании изоляторов марок ПС70-Б и ПФ70-В их число в поддерживающей гирлянде, ее длина с арматурой от траверсы до провода m_г и масса гирлянды с арматурой m_г для ВЛ 35—330 кВ, сооружаемых на металлических и железобетонных опорах в районах с нормальными атмосферными условиями, приведены в табл. 10.7 [10.14].

Поддерживающие гирлянды ВЛ 500 кВ при использовании изоляторов марки ПФ120-А содержат 21 такой изолятор (при ПС 120-А — 24 изолятора). При U_ном = 110—220 кВ в число n_из входит по одному резервному изолятору, а при U_ном = 330—500 кВ — по два. Для ВЛ 35—220 кВ, сооружаемых на деревянных опорах, число изоляторов в гирлянде на один меньше указанного в табл. 10.7 для ВЛ соответствующего напряжения.

Стержневые полимерные изоляторы (ПИ) представляют собой относительно новое поколение изоляции ВЛ. Их разработка и внедрение в практику сооружения ВЛ начались в СССР в 70-е годы XX в. В настоящее время в России в эксплуатации находятся более 400 тыс. ПИ [10.15]. Основой их конструкции (рис. 10.10, в) является стеклопластиковый стержень, воспринимающий всю механическую нагрузку. На концах стержня имеются металлические оконцеватели или фланцы для крепления к траверсе опоры и соединения с зажимом провода. Электрическую прочность изолятора и необходимую длину пути утечки тока обеспечивает ребристая оболочка из кремнийорганической эластомерной композиции (резины) или силикона, защищающая стержень от атмосферных воздействий и закрепленная на нем с помощью клеевого герметика (герменила).

Основными достоинствами ПИ являются прежде всего их высокая эксплуатационная надежность, малая масса, устойчивость к ударным механическим нагрузкам и актам вандализма (в том числе к расстрелам), удобство транспортировки и простота монтажа, а также эстетичный внешний вид. Отечественные ПИ маркируются буквами ЛК, после которых указывается разрушающая нагрузка при растяжении (от 70 до 300 кН) и через дробь — значение U_ном. Так, например, изолятор ЛК 70/110 имеет габаритный размер 1278 мм, длину изоляционной части 1020 мм, диаметр ребер оболочки 85 мм и массу 3,3 кг, т.е. на порядок меньшую по сравнению с гирляндой стеклянных или фарфоровых изоляторов таких же напряжения и прочности (см. табл. 10.7).

Термин линейная арматура объединяет устройства, обеспечивающие, во-первых, надежное сочленение отдельных элементов конструкции ВЛ, а также защиту гирлянд подвесных изоляторов (или ПИ) от повреждения электрической дугой при пробое и фиксацию взаимного расположения в пространстве проводов расщепленных фаз и соседних фаз по отношению друг к другу. В табл. 10.8 представлены пять различающихся своим назначением основных групп элементов арматуры, а также их типы и модификации в каждой группе.

Фиксирующая арматура представлена двумя видами зажимов — поддерживающими и натяжными. Поддерживающие зажимы служат для крепления проводов на промежуточных опорах. Они состоят из лодочки, в которую укладывается провод, зажимных плашек и U-образных болтов, закрепляющих провод в лодочке (рис. 10.11, а). В основном применяют два типа поддерживающих зажимов — глухие и с ограниченной прочностью заделки провода.

Глухие зажимы обеспечивают закрепление провода без его проскальзывания в любом режиме работы линии. При этом тяжение по проводу полностью передается на опору. Лодочка шарнирно связана с ушком, а оно, в свою очередь, — с нижним изолятором гирлянды.

Ограничение усилий, действующих на опору, достигается применением зажимов с ограниченной прочностью заделки провода. Конструктивно эти зажимы не отличаются от глухих, но затяжка плашек у них осуществляется таким образом, что при усилиях, превышающих заданную величину (7—9 кН), происходят проскальзывание провода в зажиме и соответствующая разгрузка опоры. Такие зажимы применяются на ВЛ напряжением 330 кВ и выше.

Натяжные зажимы служат для крепления проводов на анкерных опорах. Они сопрягаются с натяжными гирляндами изоляторов и воспринимают полные тяжения по проводам во всех режимах работы линии. По способу закрепления провода они делятся на клиновые, болтовые и прессуемые. Наиболее простые по конструкции клиновые зажимы предназначены для крепления проводов (медных и алюминиевых) и стальных тросов сечением 16—95 мм². Они состоят из чугунного или стального корпуса, в котором размещается провод (трос), и алюминиевого или латунного клина, который зажимает (самозаклинивает) провод (трос) под действием тяжения по нему.

Болтовые зажимы (рис 10.11, б) используются при монтаже проводов сечением 70—240 мм². Такой зажим состоит из чугунного корпуса 1, в котором при помощи U-образных болтов 4 с плашками из алюминиевого сплава зажимается провод 3. На корпусе имеется проушина 2 для крепления зажима к гирлянде. Как клиновые, так и болтовые зажимы не требуют разрезания провода в месте закрепления при монтаже. Они используются главным образом на ВЛ с номинальным напряжением до 110 кВ включительно [10.16].

Прессуемые зажимы предназначены для монтажа сталеалюминиевых проводов с сечениями алюминиевой части 240 мм² и более, т.е. на ВЛ напряжением 220 кВ и выше. Они состоят из стального анкера 5 с проушиной, в который запрессовывается стальной сердечник провода со стороны пролета, и алюминиевого корпуса 1, в котором закрепляется алюминиевая часть провода 3. При этом требуется предварительное разрезание провода, что усложняет монтаж.

К категории сцепной арматуры относятся:

· скобы, служащие для соединения гирлянды изоляторов с траверсой опоры (рис. 10.12, а, б);

· серьги, предназначенные для соединения скобы с шапкой верхнего изолятора гирлянды (рис. 10.12, в, г);

· ушки, осуществляющие сопряжение нижнего изолятора гирлянды с зажимом (рис. 10.12, д, е);

· коромысла, служащие для образования сдвоенных и строенных гирлянд;

· промежуточные звенья, используемые для удлинения гирлянд;

· узлы крепления гирлянд изоляторов к опорам (рис. 10.12, г).

К категории защитной арматуры относятся защитные кольца (овалы) и разрядные рога. Защитные кольца (овалы) устанавливаются в нижней части поддерживающих и натяжных гирлянд изоляторов и стержневых полимерных изоляторов ВЛ напряжением 330 кВ и выше. Они служат для отвода электрической дуги, возникающей при перекрытиях гирлянд, от поверхности последних, а также для улучшения равномерности распределения напряжения между изоляторами гирлянды. Верхние и нижние разрядные рога служат для создания искрового промежутка при изолированном креплении грозозащитных тросов на опорах ВЛ 220—1150 кВ. Они устанавливаются на гирляндах, причем верхние рога закрепляются на серьгах, а нижние — на ушках [10.16].

Соединительная арматура служит для соединения двух строительных длин провода, т.е. его отрезков, каждый из которых умещается на одном транспортном барабане. Для проводов с сечениями до 240 мм² включительно используют овальные соединители, которые представляют собой трубку с развальцованными краями из того же материала, что и провод, в которую с двух сторон вставляются соединяемые концы провода. Надежный электрический контакт и достаточная механическая прочность места соединения обеспечиваются при монтаже путем обжатия соединителя специальными клещами или прессом, либо путем скручивания вместе с проводом специальным приспособлением.

Для соединения сталеалюминевых проводов с сечениями 300 мм² и более, а также стальных тросов сечением 50—150 мм² и более применяют прессуемые соединители. Они состоят из двух элементов — алюминиевого корпуса, охватывающего внешнюю поверхность провода, и стальной трубки, в которую вставляются концы стального сердечника.

Дистанцирующая арматура представлена двумя видами распорок. Металлические распорки служат для фиксации взаимного расположения проводов расщепленных фаз ВЛ 330—1150 кВ. Наиболее простая парная распорка, соединяющая два провода, состоит из двух комплектов плашек, которые закрепляются на проводах болтами, и тяги, устанавливаемой между плашками и закрепляемой жестко (глухое крепление) или подвижно (шарнирное крепление). На ВЛ 500 кВ с расщеплением фазы на три провода такие распорки устанавливают группами по 3 штуки на расстоянии 40—50 м между соседними группами. При числе проводов в фазе более трех наряду с парными могут быть использованы многолучевые и рамные распорки, более экономичные с точки зрения расхода металла.

Изолирующие распорки служат для дистанцирования сближенных фаз компактных ВЛ на опорах охватывающего типа и опорах с вантовой траверсой, а также для фиксации фаз многофазных ВЛ. С этой целью могут быть использованы полимерные изоляторы со стеклопластиковым стержнем, описанные выше, а также опорно-стержневые полимерные изоляторы.