Электрическими сетями называют части электрической системы, состоящие из подстанций и линий различных напряжений. Они предназначены для передачи и распределения электроэнергии от мест ее выработки к местам потребления. Линию, соединяющую повышающие и понижающие подстанции, называют линией электропередачи.
Электрические сети могут отличаться друг от друга по назначению, роду тока, напряжению, конфигурации и конструктивному исполнению. По району обслуживания различают местные и районные сети. Местными сетями являются сети напряжением до 35 кВ включительно, питающие потребителей в радиусе 15—35 км. Сети напряжением 35—220 кВ, которые связывают электростанции и районные подстанции для параллельной работы, называют районными. Линии электропередачи переменного и постоянного тока напряжением 220, 330, 500 кВ и выше, соединяющие отдельные энергосистемы, называют линиями межсистемной связи.
По назначению электрические сети подразделяют на питающие и распределительные. Назначение первых — передавать электроэнергию от электростанций или подстанций в районы потребления, а вторых — распределять ее между потребителями. По роду тока различают сети постоянного, однофазного и трехфазного переменного тока; по напряжению — сети до 1000 В и выше 1000 В.
Электрические сети могут быть разомкнутыми и замкнутыми. Разомкнутой называют сеть, в которой потребитель получает питание только с одной стороны, замкнутой — ту, в которой потребитель получает питание не менее чем с двух сторон. Различают наружные и внутренние электрические сети.
Электрические сети выполняют неизолированными и изолированными проводами, шинами и кабелями. Чаще применяют воздушные линии электропередачи, так как они дешевле кабельных. Однако кабельные линии электропередачи более надежны в работе, безопасны для населения и почти не требуют площадки для устройства.
Воздушные линии электропередачи (ВЛ) состоят из проводов, изоляторов, линейной арматуры, опор, фундаментов и защитных тросов.
Провода для воздушных линий электропередачи используют неизолированные: медные, алюминиевые, стальные, сталеалюминиевые, бронзовые. Они должны обладать высокой механической прочностью и проводимостью, противостоять атмосферным воздействиям и химическому воздействию находящихся в воздухе примесей газов. Промышленность изготовляет однопроволочные, многопроволочные (свитые из одного и разных металлов) и полые провода. Однопроволочные провода (рис. 15, а) имеют небольшую площадь сечения, применяют их на ВЛ напряжением до 20 кВ. Многопроволочные провода (рис. 15, б, в) свивают из 7, 12, 19 и 37 жил, они гибки и удобны при монтаже. Их применяют при устройстве ВЛ любых напряжений. Медные провода (марка М) обладают высокой удельной электрической проводимостью. Их временное сопротивление на разрыв 0,39 ГПа. Они не подвергаются коррозии на воздухе. Используют их редко, так как медь является дефицитным металлом.
Рис. 15. Провода воздушных линий: а — медный однопроволочный; б — алюминиевый многопроволочный; в — сталеалюминиевый многопроволочный; г — полый
Алюминиевые провода (марка А) изготовляют только многопроволочными с площадью сечения 16 мм2 и выше. Удельная электрическая проводимость их 32.10-6 См/м, т. е. в 1,65 раз меньше, чем у медных, механическая прочность невелика (а0,16 ГПа).
Применяют однопроволочные стальные провода ПСО диаметром 3; 3,5; 4 и 5 мм. Марки многопроволочных проводов: ПС—стальной и ПМС — медистый стальной с присадкой меди 0,2—0,4% для создания противокоррозионной стойкости. Стальные провода обладают малой электрической проводимостью 7=7,52-10+9 См/м и высокими механическими свойствами (ав=0,70-1,2 ГПа); подвергаются коррозии на воздухе. Применяют их для устройства защитных тросов ВЛ.
Сталеалюминиевые провода (АС, АСУ, АСО) состоят из стальной сердцевины и алюминиевых внешних повивов (см. рис. 15, в). Они имеют большую механическую прочность и достаточную удельную электрическую проводимость. Используют их на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Диаметр этих проводов больше, чем медных той же удельной электрической проводимости, поэтому при сталеалюминиевых проводах уменьшаются потери на коронирование.
Провода из бронзы (сплав меди с кадмием, сурьмой, оловом) обладают высокой проводимостью и высокой механической прочностью. Применяют их в ВЛ при пересечении рек, озер, оврагов, если длина пролёта 500 м и более. На ВЛ 220 кВ и выше используют полые провода (рис. 15, г). Они имеют большой диаметр, что позволяет снизить потери энергии на корону.
На ВЛ 330 кВ и выше применяют так называемую расщепленную фазу. Так, ВЛ 500 кВ с расщепленной фазой представляет собой три многопроволочных провода, расположенных в вершинах равностороннего треугольника со стороны 40 см, а их положение в пролете фиксируется распорками. При этом снижаются реактивное сопротивление (на 30%) и потери на корону.
Изоляторы воздушных линий электропередачи предназначены для изоляции проводов от опор. Провода подвешивают или укрепляют на штыревых, подвесных или стержневых фарфоровых изоляторах (рис. 16). Они испытывают большие механические нагрузки и должны обладать высокими диэлектрическими свойствами. При напряжениях ВЛ до 10 кВ применяют штыревые изоляторы, при 20—35 кВ — штыревые и подвесные, а при 110 кВ и выше — подвесные и стержневые. На ВЛ 20 кВ и выше используют гирлянды из подвесных изоляторов. Количество изоляторов в гирлянде зависит от напряжения ВЛ, типа опор (деревянные, металлические) и типа изоляторов. Применяют изоляторы ПФ6-А, ПФ6-Б, ПС6-А, ПС-11 и др. Например, для ВЛ 110 кВ гирлянда состоит из шести-семи изоляторов ПФ6-А или ПС6-А. Каждый изолятор имеет гарантированную прочность на разрыв.
Рис. 16. Изоляторы воздушных линий: а — тип ШЛН-1 для напряжения до I кВ; 5 — тип ШФ-10В для напряжения; 6; 10 кВ; в — гирлянда подвесных изоляторов; г — стержневой типа СП на 110 кВ
Изолятор ПФ6-А выдерживает нагрузку 44 кН, разрушающая нагрузка для него 58 кН. Стержневой изолятор легче и дешевле гирлянды изоляторов, но изготовлять его сложнее (см. параграф 22).
Стеклянные изоляторы ПС6-А, ПС 11 и другие легче фарфоровых и лучше противостоят ударным нагрузкам.
Опоры предназначены для поддержания проводов на определенном расстоянии от земли, обеспечивающем надежную работу ВЛ и безопасность людей. На опорах подвешивают также заземленные тросы для защиты ВЛ от атмосферных перенапряжений. По месту установки на трассе и по назначению опоры разделяют на промежуточные, анкерные, концевые и специальные (транспозиционные, переходные). По числу цепей опоры бывают одноцепными и двухцепными.
Промежуточные опоры используют на прямых участках линии. Анкерные опоры устанавливают через 3—5 км; они воспринимают, помимо массы, полное натяжение проводов и тросов. Их применяют также при пересечениях ВЛ с железными дорогами и другими воздушными линиями. Опоры, располагаемые в местах поворота трассы, называют угловыми. Переходные опоры устанавливают при пересечении ВЛ широких рек, ущелий, озер и других естественных препятствий.
Применяют опоры деревянные, металлические и железобетонные. Деревянные опоры изготовляют из бревен сосны и лиственницы. Древесину пропитывают масляными антисептиками для предотвращения гниения. Срок службы непропитанных опор 7—10 лет, пропитанных — 20—25 лет. Металлические опоры изготовляют сварными из угловой стали. Для защиты стали от коррозии опору оцинковывают или периодически окрашивают масляными красками. Срок службы металлических опор 50 лет и более. Железобетонные опоры позволяют экономить металл. Используют чаще всего опоры из центрифугированного бетона конические длиной 20—25 м.
Длина пролета между опорами зависит от площади сечения проводов и напряжения:
Расположение проводов на опорах может быть следующее: треугольником, вертикально, горизонтально, елкой, обратной елкой и бочкообразно (рис. 17). Треугольником провода располагают в сетях напряжением до 1000 В, ВЛ 20 и 35 кВ; горизонтально — в гололедных районах, так как в этом случае при сбрасывании льда с проводов исключается возможность их схлестывания. При двухцепной ВЛ на одной опоре удобно подвешивать провода обратной елкой.
При всех способах расположения, за исключением треугольника, провода каждой цепи располагаются несимметрично один по отношению к другому. Это приводит к различию индуктивных сопротивлений отдельных фаз и емкостей между ними. Падение напряжения в проводах получается различным.
Рис. 17. Расположение проводов на опоре: а — треугольником; б — горизонтальное; в — обратная елка; г — бочкообразное
Рис. 18. Схема транспозиции проводов
Также увеличивается влияние линий электропередачи на воздушные линии связи. Для устранения этого влияния на ВЛ 35 кВ и выше применяют транспозицию проводов (рис. 18), т. е. изменяют взаимное расположение проводов фаз на опорах. Число перестановок проводов на линии должно быть не менее трех. Через каждые три участка а провода ВЛ занимают свое первоначальное положение, т. е. завершается полный цикл транспозиции — За. В зависимости от длины ВЛ может быть один, два и более циклов транспозиции. Перестановку проводов осуществляют на транспозиционных опорах.
Расстояние между проводами на линиях определяется длиной пролета, климатическими условиями и напряжением ВЛ. В случае горизонтального расположения проводов оно равно в среднем 4 м при напряжении 110 кВ, 7 м при 220 кВ и 12 м при 500 кВ. Деревянные и железобетонные опоры заделывают в грунт непосредственно, либо используя пасынки (стулья), а металлические — с помощью железобетонных фундаментов.
Кабельные линии прокладывают в земле, воде и на воздухе. Кабелями называются проводники тока (токопроводящие жилы), изолированные от земли и друг от друга бумажной, пластмассовой или резиновой изоляцией, помещенные в свинцовую, алюминиевую или полихлорвиниловую оболочку. Кабели делят на силовые и контрольные; силовые применяют для устройства линий электропередачи и в главной силовой цепи электроустановок, контрольные — в цепях управления, измерения, защиты и сигнализации. Для линий электропередачи используют силовые кабели сечением до 1000 мм2, имеющие от одной до четырех жил и рассчитанные на напряжение до 35 кВ. Кабели для напряжений 110 кВ и выше выполняют одножильными. Контрольные кабели имеют площадь сечения от 1 до 10 мм2, число жил до 37; их изготовляют на напряжение 500 В.
Конструкция кабеля обусловлена в основном напряжением. Кабели на напряжение до 10 кВ (рис. 19) выпускают с медными и алюминиевыми жилами 1. Пространство между жилами заполняют джутовыми наполнителями 3. Сечение жил может быть круглым или иметь вид сегмента. Жилы кабеля имеют изоляцию фаз 2, поверх нее наложена общая поясная изоляция 4 из бумаги, пропитанной маслом. Свинцовая оболочка 5 предотвращает высыхание изоляции и попадание влаги внутрь кабеля. Для защиты от действия кислот и щелочей оболочку покрывают кабельной бумагой 6 и прослойкой из джута 7. Броня 8 кабеля выполнена из стальной ленты или проволоки и защищена от химического воздействия почвы джутовой пропитанной оплеткой 9. При прокладке кабеля в помещениях из-за опасения пожара джутовый покров снимают.
Кабели на 20 и 35 кВ выполняют с круглыми отдельно освинцованными жилами, что обеспечивает равномерное распределение электрического поля и повышает электрическую прочность кабеля. Кабели на напряжение 110 и 220 кВ изготовляют одножильными маслонаполненными. Масло заполняет поры и исключает возможность образования пустот в изоляции кабеля, что могло бы привести к его пробою. При вертикальных и наклонных прокладках в сетях 10—220 кВ применяют газонаполненные кабели. Применение обычных кабелей привело бы к стенанию пропиточной массы и ослаблению изоляции в верхней части кабеля.
Рис. 19. Трехжильный бронированный кабель с бумажной изоляцией на напряжение до 10 кВ
Рис. 20. Расположение кабелей в траншее
Все кабели маркируют, указывают тип, конструкцию, число и площадь сечения жил кабеля. Кабели с алюминиевыми жилами имеют обозначение АСГ и ААГ Первая буква обозначает материал жил (А — алюминий), вторая — материал оболочки (С — свинец), буква Г — голый. Кабели с броней в виде стальных лент имеют в марке букву Б, а с броней из проволоки — СП или СК (стальные плоские или круглые). В кабелях с медными жилами материал в марке не ставится. Контрольным кабелям соответствует в марке буква К, резиновой изоляции — буква Р. Например, марка СБ-ЗХ120 означает освинцованный, бронированный двумя стальными лентами, медный, трехжильный, площадь сечения каждой жилы 120 мм2; ААБГ — алюминиевый с алюминиевой оболочкой, бронированный, голый.
Присоединение кабеля к аппаратам и оборудованию, а также соединение одного кабеля с другим осуществляются с помощью специальных кабельных соответственно концевых и соединительных муфт. Муфты бывают стальными, чугунными, свинцовыми и из эпоксидного компаунда. На концах кабеля при напряжениях до 10 кВ, а в некоторых случаях и до 35 кВ применяют сухие разделки (только в помещениях).
В земле кабель обычно прокладывают в траншее (рис. 20) на глубине 0,7—0,8 м. Для лучшего охлаждения кабели 3 располагают на некотором расстоянии друг от друга. Поверх кабелей укладывают кирпичи 1 или бетонные плиты для защиты от механических повреждений при возможном производстве земляных работ. Кабели укладывают в песок 2.
При усовершенствованных дорожных покрытиях (бетонных, асфальтированных) кабели прокладывают в асбоцементных, гончарных трубах или железобетонных блоках. При этом обеспечивается хорошая защита кабеля от повреждений и возможность легко и просто заменить его другим без вскрытия мостовой. Недостаток такого способа — плохое охлаждение кабеля и высокая стоимость работ по его прокладке. При большом числе кабелей их прокладывают в тоннелях, что обеспечивает удобства для осмотра и ремонта кабелей и возможность прокладывать новые кабели без дополнительных затрат.
При проектировании электрических сетей выполняют необходимые экономические, электрические и механические расчеты, к числу которых относят выбор экономически целесообразных сечений проводов и кабелей линий электропередачи и напряжения сети; проверку проводов ВЛ и кабелей на потерю и отклонения напряжения, от которых зависят нормальные условия работы потребителей; проверку проводов ВЛ на коронирование, кабелей — на нагрев токами к. з., механический расчет проводов ВЛ, опор и их закрепления в грунте.
