Линии электропередачи — это сооружения, которые предназначены для передачи электрической энергии на большие расстояния. Все линии электропередачи образуют высоковольтные электрические сети и являются основой энергетической системы.
Впервые о создании линии электропередачи заговорил М. В. Ломоносов в 1750 г., мечтая об электрификации всех городов России. Его мечту попытался осуществить в 1875 г. Ф. А. Пироцкий, который смог достигнуть передачи электричества мощностью 4,5 кВт на один километр. В этот период Д. А. Лачинов теоретически обосновал возможность электрической передачи энергии на большие расстояния при повышенном напряжении и большой мощности. В 1882 г. француз М. Депре испытал линию постоянного тока при напряжении 1500—2000 В с мощностью генератора 3 кВт на длину 57 км. В 1876 г. П. Н. Яблочковым был создан трансформатор, позволяющий переводить постоянный ток в переменный, а также благодаря созданной системе переменного трехфазного тока М. О. Доливо-Добровольского. Линия электропередачи длиной 170 км была построена в России в 1891 г. По ней проходил трехфазный ток напряжением 15 кВ с мощностью генератора 230 кВт и КПД передачи около 75%. Но по-настоящему строительство линий электропередачи началось лишь по плану ГОЭЛРО в 1920 г. Уже через два года была построена линия от Каширской станции напряжением 110 кВ. В 1932 г. от Днепрогэса созданы линии электропередачи напряжением 154 кВ. Дальнейшее развитие энергетики во всех странах базировалось на уже имеющихся электрических станциях и сопровождалось созданием высоковольтных электроэнергетических систем.
Важнейшей характеристикой является напряжение, величина которого зависит от передаваемой мощности и длины линии электропередачи. По своему конструктивному выполнению линии электропередачи подразделяются на воздушные и кабельные.
Воздушные линии электропередачи также разделяются по напряжению на три класса: 35 кВ для питания ответственных нагрузок; 35 кВ для питания обычной нагрузки и все линии до 1 кВ; от 1 кВ и ниже. В воздушные линии электропередачи входят провода, защитные тросы, изоляционный материал, опоры и электроарматура. Провода могут быть однопроволочными, многопроволочными и полыми. Изготовляются провода из меди, алюминия и стали без использования изолирующих оболочек. Самыми популярными считаются сталеалюминиевые провода, в которых высокая проводимость алюминия
сочетается с прочностью стали. В сельскохозяйственной электрификации иногда используется оцинкованная стальная проволока, а в районах рек, озер и ущелий — бронзовая, стальная или биметаллическая линии. Полые провода применяются на линиях электропередачи напряжением 220 кВ для увеличения диаметра провода и уменьшения коронного разряда.
Коронирование предотвращается использованием проводов диаметром не менее 10,6 мм, а для линий электропередачи напряжением 400 кВ нужны полые провода диаметром 50 мм. Провода линий электропередачи, напряжение которых составляет менее 35 кВ, устанавливаются на штыревых изоляторах, которые в свою очередь крепятся к опоре на стальных крюках или штырях.
На линиях электропередачи, напряжение которых составляет 35 кВ и более, провод закрепляется специальными поддерживающими зажимами на подвесных гирляндах изоляторов и натяжными зажимами на оттяжных гирляндах изоляторов. Количество изоляторов в гирлянде растет с увеличением напряжения линии электропередачи от 2— 3 для 35 кВ до 14—16 для 220 кВ. Изоляторы могут устанавливаться на деревянных, железобетонных или стальных опорах. Линии электропередачи, напряжение которых составляет менее 35 кВ, при малых сечениях устанавливают на деревянных опорах в виде одиночного столба, при больших сечениях — на опорах, состоящих из двух столбов, поставленных А-образно. На линиях электропередачи, напряжение которых составляет 35 и 110 кВ, используются деревянные промежуточные опоры, установленные П-образно, и анкерные опоры (две скрепленные А-образные опоры). Линии электропередачи, напряжение которых составляет 110 и 220 кВ, устанавливаются обычно на стальных опорах. Расстояние между промежуточными опорами составляет для линий с напряжением менее 35 кВ около 50— 100 м; для линий с напряжением 35 кВ на деревянных опорах — 100—200 м; для линий в 110 кВ на деревянных опорах — 100—250 м; для линий того же напряжения, но на металлических опорах — 150—350 м; для линий в 220 кВ — 300—500 м.
Прочность всей конструкции линии электропередачи можно проверить по расчетам, обусловленным специальными нормами. При установке проводов и тросов на линии электропередачи проверяют их соответствие установленным нормам, связанным с нагрузкой от своей массы, от веса потенциально образующегося льда, от скорости и давления ветра, от частоты осадков, изменчивости температуры, ее нижних и верхних пределов, а также нормам, связанным с общими климатическими и географическими условиями региона, где проходит линия электропередачи. Все эти условия также влияют на то, как будет построена сама система линий электропередачи, как на ней будут расположены провода и тросы. Изоляция воздушных линий электропередачи терпит на себе воздействие различных атмосферных перенапряжений. Для линий электропередачи, напряжение которых составляет более 110 кВ, также необходима подвеска по всей длине специальных защитных тросов, которые служат для обеспечения нормальной работы линии электропередачи во время грозы. Для линий электропередачи с напряжением менее 110 кВ хватает подвески такого троса только на подходах к распределительным устройствам и подстанциям, а также на концах тросов и в местах, изоляция которых ослаблена, монтируются трубчатые разрядники, в задачи которых'входит защита от волн перенапряжения. Большая часть перекрытий изоляции (что происходит из-за грозовых перенапряжений) не повреждается, если используется дугоотводящая арматура. При повторном включении такой линии электропередачи она продолжает свою работу.
Во время эксплуатации линий электропередачи за ними идет постоянный присмотр, т. е. периодически проходят осмотры их внешнего состояния, технические проверки, выявляющие какие-либо повреждения и неисправности, а также какие-либо профилактические меры по предупреждению этих неисправностей и повреждений. Также периодически проводят капитальные ремонты линий электропередачи, что значительно улучшает их эксплуатационные качества и показатели, а также увеличивает срок их службы. Ремонт на линиях электропередачи, которые проводят свою работу в сетях с заземленной нейтралью и с наличием пофазного управления, проводится также пофазно, что означает, что при проведении ремонтных работ на одном фазовом проводе остальные не прекращают своей работы. Улучшение эксплуатационных качеств линий электропередачи можно провести, совершенствуя грозозащиту, защиту проводов от вибрации и многих других мер.
На территории городов и заводских объектов чаще всего применяются кабельные линии электропередачи в 3, 6, 10, и 35 кВ. Подведение линии электропередачи к городу и в объекты силовой нагрузки происходит с помощью кабельных линий электропередачи, напряжение которых составляет 110 кВ и более. Для переброски линии электропередачи через какие-либо водные рубежи чаще всего используют кабельные линии электропередачи напряжением в 110—220 кВ. Чаще всего в городах применяются трехжильные кабели в 3— 10 кВ, изоляция которых состоит из пропитанной вязкой массой бумаги. Эти кабели имеют общую свинцовую оболочку. Также часто применяются кабели на 35 кВ с освинцованными жилами. Высоковольтные кабели чаще всего являются маслонаполненными или газонаполненными. Располагаются кабели обычных конструкций чаще всего в земляных траншеях, в блоках из труб; при большом количестве кабелей для них создаются специально оборудованные туннели. Маслонаполненные кабели низкого давления, напряжение которых составляет 110 кВ, состоят из медных полых жил, внутрь которых заливается масло, и из бумажной изоляции.
Для контроля над состоянием давления масла маслонаполненный кабель делится на отдельные герметические секции с маленькой разностью вертикальных отметок на концах каждой секции. Применяются маслонаполненные кабели при прокладке линий электропередачи в траншеях, в бетонных каналах и туннелях. Для нормального функционирования маслонаполненных кабелей необходима специальная подпитывающая аппаратура, регулирующая давление масла в кабеле. Такая аппаратура располагается в специально оборудованных подземных колодцах или в надземных киосках. Использование маслонаполненных кабелей, давление масла в которых повышено до 2—3 кг/см2, делает возможным увеличить разность вертикальных отметок. Одной из форм маслонаполненных кабелей является маслостатический кабель. Он состоит из трех одножильных кабелей, с которых снята свинцовая оболочка. Эти кабели прокладываются в специальном стальном трубопроводе, в который загоняется масло под повышенным давлением (14—15 кг/см2). Давление масла в маслостатическом кабеле поддерживается при помощи специальных автоматических насосных агрегатов, которые устанавливаются по концам линии электропередачи.
Газостатические кабели отличаются от маслостатических кабелей тем, что в них загоняется не масло, а азот под давлением 15 кг/см2. Это давление г аза в газостатическом кабеле поддерживается автоматическими компрессорными аппаратами. На входе и на выходе кабельной системы монтируются концевые муфты, задачей которых является соединение кабеля с воздушными проводами. Установка концевых муфт происходит на специально оборудованных стальных конструкциях. Кабельные линии переменного тока высокого напряжения являются очень надежными в эксплуатации, но они сочетают в себе массу других, причем весьма серьезных ограничений в использовании, к каковым относятся гораздо более высокая стоимость по отношению к воздушным линиям электропередачи, повышенная сложность ремонта таких линий, более низкое качество применения цветных металлов. Все эти недостатки ограничивают использование кабельных линий высокого напряжения только теми случаями, когда трудно или невозможно использовать воздушные линии электропередачи.
Эксплуатация кабельных линий электропередачи также должна проходить под строгим присмотром за качеством и внешним состоянием кабельной трассы, контролем над ее работой (нагрузки, термальный режим и т. д.), контролем и починкой подпитывающей, компрессорной, насосной и другой аппаратуры, работа которой необходима для функционирования кабельных линий электропередачи. Контроль за маслонаполненной системой кабельных линий электропередачи включает в себя также периодическую проверку термального режима, давления, качества и количества масла и многое другое, а также за эксплуатационными показателями стопорных муфт и маслоподпитывающей аппаратурой. Систематически должны проводиться профилактические испытания изоляции кабелей под повышенным напряжением. Профилактические испытания и проверки дают возможность быстро найти и отремонтировать какие-либо повреждения и неисправности кабельной системы и ее изоляции, т. е. приводят к улучшению работы кабельной системы, ее эксплуатационных качеств, к повышению надежности ее работы и увеличению срока службы кабельных линий электропередачи.
По определенным значениям наибольшей передаваемой мощности и количеству часов применения максимума за определенный срок, которые находятся по электрическим расчетам и в соответствии с технико-экономическими вариантами перспективы развития системы электропередачи на ближайшие несколько лет, происходит выбор напряжения, количества цепей, размера сечения линий электропередачи. Показатель экономичности мощных линий электропередачи — это стоимость передачи 1 кВт/ч электрической энергии, которую находят по расчетам, основанным на ежегодных расходах, которые составляются из финансирования амортизации линий электропередачи, стоимости обслуживания и ремонта этих линий, а также из стоимости потерянной электрической энергии.
Для увеличения пропускных качеств линий электропередачи на дальние расстояния используются статические конденсаторы, которые включаются в каждую цепь данной линии электропередачи дальнего расстояния между переключаемыми объектами или на самих объектах между их шинами. В последнем случае получается продольная компенсация. Продольная компенсация значительно снижает проблемы, связанные с большим расстоянием передачи электроэнергии. Также пропускные качества можно увеличить, включив в линии электропередачи специальные шунтирующие реакторы. Особенностью использования линий электропередачи на дальние расстояния можно считать малую разность напряжений в концах линии электропередачи при очень большом коэффициенте мощности. Но, несмотря на все эти облегчающие работу и увеличивающие дальность электропередачи, аппараты, дальность передачи электрической энергии имеет ограничения, что составляет значительную проблему при электрификации отдаленных объектов. Для решения этой проблемы М. О. Доливо-Добровольский в 1919 г. предложил развивать технику передачи электрической энергии постоянным током высокого напряжения. Система линий электропередачи постоянного тока высокого напряжения состоит из воздушной (кабельной) линии электропередачи постоянного тока, выпрямительной установки и инверторной установки. В этой системе выпрямительная установка преобразует переменный ток в постоянный на одном конце, а инверторная преобразует постоянный ток в переменный — на другом.
Виды линий электропередачи
Линии электропередачи делятся на линии передачи высокого напряжения и линии передачи низкого напряжения.
1. Линии передачи высокого напряжения состоят из проводов, опорных пунктов, изоляции, кабелей, каналов, траверс, арматуры и другого оборудования, которое предназначается для передачи электрической энергии на дальние расстояния и под высоким напряжением. Под высоким напряжением предполагается напряжение более 250 В. Но линии чаще всего работают под напряжением более 500 В. Применяются линии передачи высокого напряжения в качестве линий электропередачи с напряжением в 35, 110, 220 и 400 кВ для передачи огромного количества электрической энергии на дальние расстояния, но находят свое применение и в распределительных станциях.
2. Линии передачи низкого напряжения составлены практически из тех же составляющих, но с учетом эксплуатации данных линий под низким, а не высоким напряжением. Низкое напряжение — это напряжение, значение которого составляет менее 250 В. Такие линии электропередачи представляют собой завершающее звено в распределении электрической энергии к потребителям, также такие линии применяются для связывания низковольтных источников тока с низковольтными сетями и токоприемниками. Линии передачи низкого напряжения применяются в цехах предприятий, в сельскохозяйственной электрификации, на электротранспорте, для соединения бытовых потребителей и т. д.
Линии передачи низкого напряжения имеют повышенную изоляцию. Они делятся на воздушные и кабельные. Первые используют воздух как изоляцию между проводами. Провода крепятся в такие места, которые соответствуют безопасности не только самой электроснабжающей линии, но и окружающих ее объектов.
Опоры линии передачи низкого напряжения — это деревянные столбы, которые обычно обрабатывают антисептиками для предотвращения процессов гниения древесины. Кабельные линии передачи низкого напряжения меньше подвержены воздействию внешних факторов, но за их состоянием намного сложнее следить, да и ремонт таких линий также сопряжен с определенными сложностями, что ограничивает их применение. Степень нагрузки на кабельные линии должна быть меньше, чем у воздушных линий того же сечения, что обусловлено затрудненным охлаждением таких линий.
