Устройство ЛЭП: устройство проводов, опор, изоляторов, защиты ЛЭП

Устройство ЛЭП

24 июня 2021

Преимущественно передача электроэнергии от электростанций осуществляется по воздуху. И ЛЭП или линии электропередач в этой цепочке является важнейшим компонентом. С их помощью электрический ток передается на большие расстояния, распределяется по отдельным участкам. Последнее происходит на станциях с огромными понижающими трансформаторами, где высокое напряжение 6-330 кВ преобразуется в «стандартное» 380В.

Что такое ЛЭП?

Высоковольтные линии электропередач обычно устанавливаются вдоль крупных трасс или по незаселенным территориям. Такой подход повышает безопасность, упрощает устройство и техническое обслуживание ЛЭП.

Передается по ЛЭП напряжение переменного тока, оно обеспечивает большее расстояние передачи по сравнению с постоянным. Значение выбирается исходя из дальности, например, между городами и объектами крупных предприятий ставятся системы на 35-150 кВ, внутри населенных пунктов до 20 кВ. Магистральные же ЛЭП работают под напряжением порядка 220-500 кВ. Они предназначены для соединения городских энергосистем со станцией, генерирующей электричество.

Между специалистами применяется ряд специфических терминов:

  1. Трасса – ось прокладки ЛЭП, проходящая по поверхности земли.
  2. Пикет – отрезок трассы с одинаковыми характеристиками (нулевым называют начало линии ЛЭП, а их установку пикетажом).
  3. Пролет – расстояние между центрами близстоящих опор.
  4. Стрела провеса – дельта между наиболее нижней точкой провеса кабеля и горизонтальной линией между опорами.

Также используется термин «габарит провода». Он означает расстояние между провисшим кабелем и верхней точкой сооружений, расположенных под ним. Перечисленные понятия имеют отношение в основном к проектированию устройства воздушных линий электропередач. Именно на этом этапе рассчитываются меры безопасности самого оборудования, людей, которым предстоит заниматься его обслуживанием, и проезжающих-проходящих мимо.

Таблица 1. Типовые габариты ЛЭП

Номинальное напряжение, кВ Расстояние между фазами, м Длина пролета, м Высота опоры, м
<1 0,5 40-50 8-9
6-10 1 50-80 10
35 3 150-200 12
110 4-5 170-250 13-14
150 5,5 200-280 15-16
220 7 250-350 25-30
330 9 300-400 25-30
500 10-12 350-450 25-30
750 14-16 450-750 30-41
1150 12-19 - 33-54

Виды ЛЭП

В «общем» воздушная линия электропередач – это целая совокупность устройств, предназначенных для безопасной передачи электричества. Сюда относятся как провода, изоляторы, опоры ЛЭП, так и вспомогательная арматура, включающая грозозащитные, заземляющие элементы, сопутствующие узлы вроде волоконно-оптической связи, промежуточного отбора мощности. Различные участки отличаются друг от друга по техническим характеристикам, назначению.

Так, выделяется два больших класса:

  1. Низковольтные. Распространены линии напряжением 40, 220, 380 и 660В.
  2. Высоковольтные. Здесь диапазон значений больше, например, среднее напряжение от 3 до 35 кВ, высокое – от 110 до 220 кВ, сверхвысокого – 330, 500 и 700 кВ, ультравысокого – от 1 МВ.

Высоковольтные иногда разделяют по назначению. Например, дальние межсистемные применяют для связи отдельных энергосистем. Магистральные предназначены для передачи электроэнергии от генераторов станции к крупным узловым подстанциям. Распределительные выполняют функции по соединению «центральной» подстанции с более мелкими, расположенными на территории городов или на предприятиях.

Также существует разделение по типу опор. Промежуточные устанавливаются на прямых участках трассы и только удерживают кабель в подвешенном состоянии. На прямых границах монтируются «анкерные» («концевые») опоры. В отличие от промежуточных они принимают основную весовую нагрузку, включая натяжение из-за ветра, образования наледи. Выпускаются специальные стойки, которые используются для изменения положения кабеля.

Существует условное разделение линий электропередачи на воздушные и подземные. Последние (кабельные ЛЭП) постепенно наращивают популярность из-за удобства прокладки на застроенных пространствах. В любом случае они отличаются друг от друга конструкцией, способом монтажа, используемым при этом оборудованием. И нельзя забывать про то, что воздушные ЛЭП пока еще остаются основным способом передачи электричества ввиду их высокой распространенности.

Есть вариант классификации по режиму работы нейтрального проводника. Применяются схемы – с изолированным «нулем» (незаземленным), компенсированным (резонансно-заземленным) кабелем и эффективно-заземленным. Первые предполагают подключение к заземляющему устройству через прибор с высоким сопротивлением, вторые – через индуктивность, а третьи – через «активное» сопротивление. Существуют и глухозаземленные нейтрали.

Общее устройство ЛЭП

Внешне ЛЭП, независимо от категории, выглядит как опора, на которой подвешен силовой кабель. Крепление осуществляется при помощи специальных изоляторов, препятствующих утечке даже при сильном дожде. Они позволяют подвешивать провода на различных инженерных сооружениях без рисков поражения электрическим током обслуживающего персонала, других людей, животных. Все элементы изготавливаются из долговечных материалов (бетон, нержавеющая сталь и пр.).

устройство лэп

Подробнее об основных деталях ЛЭП:

  1. Опоры – являются основой всей конструкции, они отвечают за подвешивание проводов на определенном уровне и их удерживании вне зависимости от климатических условий.
  2. Провода – передают электрический ток на заданное расстояние в соответствии с проектом.
  3. Линейная арматура – выполняет функции крепления отдельных элементов между собой.
  4. Изоляторы – применяются для «отделения» токоведущих частей воздушной линии от всех остальных элементов (опор, арматуры).

Также стоит отметить такой элемент, как защитные тросы. Они монтируются в верхней части опор и выполняют функции защиты от атмосферных (грозовых) перенапряжений, молний во время гроз. Конструктивно опоры разделяются по количеству цепей, располагаемых на них – 1 или две линии (3 провода одной трехфазной сети). На анкерных опорах, являющихся конечными точками, кабель жестко закреплен и натянут до заданного проектом натяжения.

Промежуточные же опоры лишь поддерживают его, чтобы не допустить провисания ниже предела, когда появляется риск соприкосновения с живыми объектами. Полностью исключить провисания не получится, потому что используется мощный кабель большого сечения с толстой изоляцией. То же относится к защитным тросам, они достаточно прочные, но из-за этого имеют приличную массу, усложняющую натягивание до состояния «струны».

Устройство проводов воздушных линий электропередач

Согласно правилам устройства ЛЭП (воздушных линий электропередач) допустимо использование трех типов кабелей – неизолированные или голые, изолированные и защищенные. Первый вариант проводов является самонесущим, изготовленным из нескольких жил, скрученным в жгут. Материал для них выбирается между алюминием, алюминиевым сплавом или сталеалюминевой конструкцией (прочность и другие параметры должны соответствовать ГОСТ 839-80).

Изолированные провода, как и «голые», подходят для высоковольтных линий с напряжением до 1 кВ. В составе такого кабеля обычно присутствует стальная жила, увеличивающая возможную длину пролета и прочность на разрыв-растяжение при механических нагрузках от обледенения или ветра. Такие марки называются самонесущими или СИП. Центральная жила бывает с изоляцией или без изоляции, токопередающие жилы однозначно должны быть изолированными. Однако отдельные жилы в проводе могут вибрировать, и передавая вибрацию проводам будет казаться, что трещат сами провода.

Защищенные провода предназначены для ВЛ, рассчитанные на передачу напряжения свыше 1 кВ, но до 20 кВ. Они чаще выполняются сталеалюминиевыми (маркируются аббревиатурой АС), чтобы, помимо электрических характеристик, придать конструкции повышенную прочность на разрыв-растяжение. При строительстве ЛЭП для передачи высокого напряжения свыше 20 кВ применяется алюминий. Материал обладает высокой электропроводностью и достаточной прочностью.

Таблица 2. Минимальные допустимые сечения проводов

Характеристика ЛЭП Сечение проводов, кв. мм
Алюминиевые Сталеалюминиевые Стальные
Без пересечений с коммуникациями, при толщине обледенения, мм:
до 10 35 25 25
до 15 и более 50 35 25
Переходы через судоходные реки и каналы при толщине обледенения, мм:
до 10 70 25 25
до 15 и более 70 35 25
Пересечение с инженерными сооружениями:
с линиями связи 70 35 25
с надземными трубопроводами 70 35 25
с канатными дорогами 70 35 25
Пересечение с железными дорогами, при толщине обледенения, мм:
до 10 - 35 не допускается
до 15 и более - 50
Пересечение с автомобильными дорогами, при толщине обледенения, мм:
до 10 35 25 25
до 15 и более 50 35 25

Также в ходу алюминиевые сплавы – термообработанные (АЖ) и нетермообработанные (АН). Такие провода прочнее «чистого» алюминия и одновременно сохраняют его электрические свойства. Если речь идет об относительно низком напряжении, допустимо использование кабеля из стали, которые имеют высокое сопротивление, низкую устойчивость к атмосферным осадкам, зато механически прочные. Маркируется стальной провод как ПС.

Редкий вариант – медь (с обозначением М). Это наилучший вариант в плане электропроводности, стойкостью к окружающей среде, высокой механической прочностью. Но медные провода слишком тяжелые и дорогие, поэтому практически не применяются. Слишком большой бюджет потребуется для строительства опор ЛЭП, изготовления арматуры, изоляторов.

Устройство опоры ЛЭП

Опора предназначена для крепления и подвески электрического провода на определенной высоте. Они изготавливаются из различных материалов – дерева, железобетона, металла или композита. От устройства опоры ЛЭП зависит долговечность конструкции, удобство обслуживания или ремонта. Поэтому от деревянных столбов постепенно отказываются, хотя они обходятся дешевле остальных вариантов. И заменяются на железобетонные, металлические, композитные.

Основные элементы опоры:

  1. Фундамент – обеспечивает устойчивость конструкции даже на пучинистых грунтах.
  2. Стойка – задает высоту расположения кабеля над уровнем поверхности земли.
  3. Подкосы – принимают на себя часть нагрузки от одностороннего натяжения провода.
  4. Растяжки – помогает удерживать кабель в горизонтальном состоянии.

Опоры делятся на две категории: анкерные и промежуточные. Первые монтируются в начале или конце линии, на точках, где трасса меняет направление. Они более массивные, прочные в сравнении со вторым типом. Промежуточные же располагаются между анкерными на одинаковом расстоянии для поддержания провода на одной высоте (на прямых участках). В зависимости от назначения эти опоры делятся на транспозиционные, перекрестные, ответвительные, пониженные и повышенные.

Существует стандарт, определяющий, как должны выглядеть стойки – ГОСТ 22131-76, но практика показывает, что часто встречаются случаи ухода от массового применения типовых конструкций. На местах обслуживающие организации адаптируют регламент к местным условиям ландшафта и климата. Из-за этого меняются и материалы, используемые при изготовлении стоек. Так, древесина, даже пропитанная антисептиком, служит меньше ЖБИ или металлоизделий.

Металлические опоры производятся из специальных сортов стали. Отдельные секции соединяются при помощи телескопических или фланцевых переходников. Их легко изготовить, проще заземлять, транспортировать. Металл создает меньше нагрузку на фундамент, а это означает удешевление всей конструкции, ее экономическую эффективность.

Но «железо» относительно дорогой материал, поэтому наибольшее распространение, кроме дерева, получили железобетонные конструкции. Их легко изготавливать по «шаблону», предусмотренному стандартом, поэтому производство получается дешевым. Единственный недостаток железобетона заключается в сложности транспортировки в готовом виде и необходимости привлечения тяжелой техники для монтажа. Зато такие стойки служат десятилетиями без изменений характеристик.

Устройство изолятора ЛЭП

Изоляторы – основное защитное устройство, препятствующее замыканию, утечке электрического тока во влажную погоду. Выпускаются такие изделия в соответствии со стандартами вроде ГОСТ 27611-88, 6490-93, 30531-97, 18328-73 (применение норм зависит от материала). Конструктивно они делятся на категории: штыревые, подвесные, стержневые, опорно-стержневые. Первые применяют на линиях до 1000В, остальные предназначены для ЛЭП 110 кВ и выше.

Различие по материалу:

  1. Фарфор – применялись еще 100 лет назад, сейчас считаются морально устаревшими. И все из-за их механической непрочности, сложности поиска микротрещин, пробоя. Отчасти этот недостаток компенсирован в керамических изоляторах (аналог фарфоровых).
  2. Стекло – тоже хрупкие, с низкой ударной прочностью, зато на них хорошо видно место, где произошел пробой. Как и фарфоровые, требуют аккуратности при перевозке, хранении или установке.
  3. Полимер – такой материал легче, прочнее стекла и фарфора, поэтому он обходится дешевле как в транспортировке, так и при установке, эксплуатации. С ними уже отсутствуют риски повреждения вандалами, пластик не так легко разбить.

Единственный недостаток полимерных изоляторов заключается в отсутствии объективных данных по долговечности конструкции. Пластик стал применяться в устройстве изоляторов ЛЭП совсем недавно. Плюс на нем сложно увидеть повреждения электрическим током, даже если произошел пробой. В остальном пластиковые изоляторы заметно выигрывают у фарфоровых (керамических) и стеклянных.

Все материалы хорошо выдерживают сильные морозы, жару, поэтому при выборе варианта обычно ориентируются на стоимость, удобство транспортировки, монтажа, предстоящие условия работы. Так, полимерные изделия на жаре способны изгибаться при продольных нагрузках. Насколько это критично, нужно уточнять у специалистов, обслуживающих конкретную трассу. Потому что одно дело устанавливать изоляторы на ЛЭП 10 кВ и совсем другое работать с 110 кВ.

Устройство релейной защиты ЛЭП

Обязательный элемент любой высоковольтной линии электропередач – это защита от случайностей, способных привести к прекращению подачи энергии. Сюда входят атмосферные явления, птицы и животные. Отдельно стоящие стойки изолируют друг от друга, но возникают ситуации, когда все равно возникают токи утечки, короткие замыкания. Например, оказалась повреждена изоляция, и во время сильного ветра фаза стала периодически касаться нулевого провода.

Особенности устройства релейной защиты ЛЭП:

  1. Измерительные трансформаторы контролируют ток и напряжение (маркировка ТТ и ТН соответственно).
  2. Блоки ТН устанавливаются на распределительных устройствах электрической подстанции, где первичные выводы цепляются к проводу ВЛ и контуру «земли».
  3. Изделия ТТ также монтируются на распределительных узлах, только отличаются способом подключения к линии (первичная обмотка врезается в каждую фазу).

Основным элементом определения исправности-неисправности воздушной линии электропередач является специальное реле. Оно выполняет две функции. Первая заключается в отслеживании качества контролируемого параметра и при штатном его значении сохраняет состояние контактной системы. Второе – сразу же при достижении критического значения (порога срабатывания) меняет положение своих контактов и сохраняет его до возврата параметра к норме.

Помимо напряжения и тока, устройства РЗА (релейной защиты и автоматики) контролируют еще и мощность. Здесь используются известные соотношения полной, активной, реактивной мощностей между собой и характерные для них токи и напряжения. Также учитывается направление передачи электроэнергии. Оно способно меняться в ряде случаев. Например, переключил нагрузки персонал, возникла авария. В любом случае срабатывает защита, отключающая питание.

Также на линиях ЛЭП применяются устройства для измерения сопротивления. Ими оценивается расстояние до места возникшего короткого замыкания. Из-за этого такие узлы иногда называются «дистанционными». Работают они на основе закона Ома, вычисляемого по фактически измеренным показателям напряжения и тока. Частоту на линии проверяют путем сравнения с эталоном, который постоянно генерируется все тем же устройством РЗА.

Арматура ЛЭП

Под арматурой на ЛЭП понимаются различные механизмы, используемые для крепления проводов и изоляторов к стойкам (опорам). Они различаются в зависимости от типа применяемого кабеля и задачи. Так, натяжная арматура предназначена для крепления проводов к анкерным конструкциям, к натяжным гирляндам (клиновые, болтовые, прессуемые зажимы). Их задача удерживать уровень горизонтали в том состоянии, в каком ее оставил обслуживающий персонал.

Подбор типа и количества арматуры осуществляется еще на этапе проектирования. После запуска линии ЛЭП в эксплуатацию менять ее на аналоги не рекомендуется, чтобы оставить технические параметры в рамках рассчитанных норм.

Поддерживающая арматура служит для крепления проводов (тросов) к гирляндам промежуточных опор. Они выпускаются в виде глухих, качающихся, выпускающих, скользящих зажимов. Первые дают возможность жестко зафиксировать провод, остальные в случае обрыва приводят к падению на землю. То же происходит при отклонении гирлянды от вертикали на 40-150°. Выбор элементов зависит от предстоящих условий эксплуатации.

Сцепная арматура служит для сцепления элементов изоляторов между собой для образования так называемых гирлянд. Здесь в ассортименте скобы, серьги, пестики, ушки, промежуточные звенья, коромысла. В комплекте с ними используется арматура защитная. Она обеспечивает безопасность при образовании дуги короткого замыкания, препятствует разрушению проводов из-за вибрации (в перечне изделий рога, кольца, разрядники, виброгасители).

Остается две категории арматуры: соединительная и контактная. Первая служит для соединения проводов (тросов) на участках, где прилагается усилие натяжения. Это различные зажимы, которые монтируются обжатием или прессованием. Вторая предназначена для того же, но на участках, где нет нагрузки натяжения. Например, в петлях анкерных опор. Независимо от категории материалы и конструкция определяется стандартами вроде ГОСТ 51177-98, 17613-80, 51177-2017.

Там же предусмотрена маркировка изделий. Так, скобы обозначаются аббревиатурой СК и СКД, ушки – У1, У1К, У2, У2К, УС, УСК, УД, подвески – КГП, промежуточные звенья – ПР, ПРВ, ПРВУ, 2ПР, 2ПРР, ПТМ, серьги – СР, СРС, СД, коромысла – КТ3, 2КД, 2КУ, 2КЛ. От выбора арматуры зависит долговечность, удобство обслуживания конструкций, их безопасность для окружающих и операторов энергетических компаний.

Защита ЛЭП

Чтобы продлить срок безремонтной эксплуатации линий ЛЭП ее оснащают различным защитным оборудованием. Например, популярны птицезащитные устройства, которые препятствуют рискам повреждения изоляции, чрезмерному провисанию из-за большого количества пернатых, сидящих на тросах-проводах. Защита срабатывает и «наоборот», чтобы исключить массовую гибель птиц от воздействия электрического тока (согласно Постановлению Правительства РФ №997 от 13.08.96 г.).

Также востребованы элементы защиты от:

  1. Атмосферных явлений вроде гроз, снега, ветра.
  2. Обледенения в межсезонье, когда активно образуется лед.
  3. Самовольного подключения к линии недобросовестных граждан.

Слишком большой объем льда способен приводить к обрывам проводов, которые рассчитаны лишь на определенный вес (плюсом к собственной массе). Поэтому с подветренной стороны вешаются ограничители гололедообразования. Эти же детали снижают вероятность возникновения вибраций, которая появляется в результате сильного ветра, особенно, резко меняющего направления, идущего рывками.

Защита от птиц также достаточно простая. Она выглядит как пластиковый чехол, надеваемый на участки стыков кабеля с изолятором. Такое простое устройство снижает количество отключений по выходу параметров за пределы нормы, когда срабатывает РЗА. И увеличивает срок службы деталей изоляционных гирлянд. На ответственных участках возможно применение отпугивателей птиц типа «Град А-16 Pro».

Такое оборудование способно охватывать территорию площадью порядка 5-7 тыс. кв. км. И везде обеспечивать отсутствие любых птиц (голубей, воробьев, ворон, чаек), т.е. оно приспособлено для эксплуатации практически в любых условиях, в степи, рядом с водоемами, рядом с лесополосами и рощами. Более привычными считаются устройства, выпускаемые в соответствии с ТУ 3449-001-52819896-2013.

Так, ПЗУ-6-10кВ-Т устанавливается на изоляторы штыревого типа для промежуточных опор. ЗП-Н2 – на горизонтальных полках уголков, ЗП-КП1 – применяется для кабеля диаметром до 22 мм, ЗП-КП2 – до 37 мм. Такие устройства подбираются под габариты птиц, которые проживают внутри определенного ареала, поэтому универсального решения по ним нет. Также они должны иметь совместимость с конкретным участком сети (подходить по креплениям к изоляторам).

Заземлитель ЛЭП

Еще одно защитная конструкция – заземляющее устройство опор ЛЭП. Оно обеспечивает защиту линий электропередачи, различного оборудования от атмосферного, внутреннего перенапряжения. Также заземление создает безопасные условия труда для обслуживающего персонала. Его ставят на опоры, крюки, штыри фазных проводов на всех линиях напряжением от 0,4 кВ. Норма значения сопротивления заземляющего устройства составляет максимум 50 Ом.

Правило действительно для железобетонных опор в сетях с изолированной нейтралью. На линиях 6-10 кВ необходимо заземлять все металлические, ЖБИ-стойки, деревянные опоры, на которых установлены устройства громозащиты. То же относится к силовым и измерительным трансформаторам, разъединителям, предохранителям, другим элементам высоковольтной сети.

Таблица 3. Наибольшее сопротивление заземляющих устройств опор ВЛ

Удельное эквивалентное сопротивление земли, Ом*м Наибольшее сопротивление заземляющего устройства, Ом
до 100 10
более 100 до 500 15
более 500 до 1000 20
более 1000 до 5000 30
более 5000 6*10-1

Сопротивление заземляющих устройств выбирается исходя из условий, указанных в таблице. Если речь идет о не населенной местности в грунтах с удельным сопротивлением до 100 Ом*м оно должно составлять оно должно составлять не более 30 Ом. На грунтах с высоким сопротивлением, более 100 Ом*м – не более 0,3 Ом. При использовании на ЛЭП 6-10 кВ изоляторов ШФ 10-Г, ШФ 20-В, ШС 10-Г сопротивление заземления в не населенной местности никак не регламентируется.

Передача электроэнергии от поставщиков к потребителям производится при помощи специальных сооружений – ЛЭП, включающими в себя кабели, опоры, изоляторы, устройства защиты от короткого замыкания, арматуру. Все перечисленные элементы выпускаются и устанавливаются с учетом определенных нормативов вроде ГОСТ 13109-97, ГОСТ 24291-90, ГОСТ Р 58087-2018, СТО 70238424.29.240.20.001-2011.