Конспект лекций по дисциплине «Электроэнергетика» (Передача электроэнергии)
Тема 1. Общие сведения об электроэнергетических системах.
Классификация электрических сетей. Типы конфигураций электрических сетей. Конструктивное исполнение и условия работы воздушных и кабельных линий. Токопроводы и внутренние электрические сети.
(специалисты – 2 ч., бакалавры – 4 ч., заочники – 2 ч.)
Энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электрических станций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом. Сюда входят: котлы, турбины, генераторы, линии электропередачи, трубопроводы для передачи пара и горячей воды, трансформаторы, оборудование подстанций, электроустановки потребителей (электродвигатели, осветительные и нагревательные приборы и др.).
Электроэнергетической (электрической) системой называется электрическая часть энергетической системы, т.е. совокупность электрических частей электростанций, электрических сетей и потребителей электроэнергии, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления электрической энергии.
Электрическая сеть - это совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии. По электрической сети осуществляется распределение электроэнергии от электростанций к потребителям.
Линия электропередачи - это электроустановка, состоящая из проводов, кабелей, изолирующих элементов и несущих конструкций, предназначенная для передачи электрической энергии между двумя пунктами энергосистемы с возможным промежуточным отбором.
Электрическая подстанция - это электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств.
Рис.1.1. Составляющие энергетической системы
Классификация электрических сетей
Классификация электрических сетей может осуществляться по роду тока, номинальному напряжению, выполняемым функциям, характеру потребителей, конфигурации схемы сети и т.д.
По роду тока различаются сети переменного и постоянного тока.
По напряжению: сверхвысокого напряжения - Uном ³ 330 кВ, высокого напряжения - Uном = 3 - 220 кВ, низкого напряжения - Uном < 1 кВ.
По конфигурации сети делятся на замкнутые и разомкнутые.
Рис.1.2. Пример замкнутой (а) и разомкнутой (б) сети
По выполняемым функциям различают системообразующие, питающие и распределительные сети.
Системообразующие сети напряжением 330-1150 кВ осуществляют функции формирования объединенных энергосистем, объединяя мощные электростанции и обеспечивая их функционирование как единого объекта управления, и одновременно обеспечивают передачу электроэнергии от мощных электростанций. Системообразующие сети осуществляют системные связи, т.е. связи большой протяженности в энергосистемах. Режимом системообразующих сетей управляет диспетчер объединенного диспетчерского управления (ОДУ). Сети напряжением 330-1150 кВ, связывающие энергосистемы, называют межсистемными.
Питающие (районные) сети предназначены для передачи электроэнергии от подстанций системообразующей сети и частично от шин 110-220 кВ электростанций к центрам питания (ЦП) распределительных сетей – районным подстанциям. Питающие сети обычно замкнутые.
Распределительные (местные) сети предназначены для передачи электроэнергии на небольшие расстояния от шин низшего напряжения районных подстанций к промышленным, городским, сельским потребителям. Такие сети обычно работают в разомкнутом режиме. Различают распределительные сети высокого, (Uном > 1 кВ) и низкого (Uном < l кВ) напряжения. По характеру потребителей распределительные сети подразделяются на промышленные, городские и сети сельскохозяйственного назначения.
Для электроснабжения больших промышленных предприятий и крупных городов осуществляются глубокие вводы высокого напряжения, т. е. сооружение подстанций с первичным напряжением 110—500 кВ вблизи центров нагрузок.
Преимущества объединения энергосистем в Единую энергосистему
Общее стремление к объединению энергосистем вызвано большим преимуществом крупных систем по сравнению с энергообъединениями, состоящими из отдельно работающих электростанций и подключенных к ним потребителей.
1. Объединение в Единую энергосистему (ЕЭС) позволяет уменьшить суммарную установленную мощность электростанций объединенных энергосистем (ОЭС) за счет долготного и широтного эффектов. При долготном эффекте суточные максимумы нагрузок ОЭС разнесены во времени на 1- 6 часов, и в утренние часы мощность может передаваться с запада на восток, а в вечерние часы - с востока на запад. При широтном эффекте длительность сезонных максимумов нагрузок северных ОЭС больше, чем южных, в связи с этим мощность может передаваться с юга на север. В обоих случаях взаимопомощь между ОЭС позволяет иметь в каждой из ОЭС меньшую резервную мощность электростанций.
2. Более полно используются энергетические ресурсы, т.к. пиковую часть графика нагрузки энергосистемы можно покрывать гидравлическими электростанциями, а базовую часть - тепловыми, на увеличение мощности которых в часы максимума нагрузки приходится затрачивать дополнительное топливо.
Рис. 1.3. Суточный график нагрузки энергосистемы
3. Повышается экономичность выработки электроэнергии, т.к. в первую очередь можно увеличить мощность более экономичных станций, имеющих меньший расход условного топлива на выработку 1кВт.ч электроэнергии.
4. Позволяет увеличить единичную мощность агрегатов, имеющих лучшие технико-экономические показатели.
5. Повышается надежность электроснабжения потребителей за счет резервирования и автоматики.
6. Позволяет повысить маневренность в энергосистемах и осуществлять взаимопомощь между ОЭС при авариях, при проведении плановых ремонтов, при маловодных годах на ГЭС.
7. Разгружаются магистральные линии электропередачи.
8. Появляется возможность присоединения промежуточных потребителей.
9. Позволяет сократить численность ремонтного персонала за счет концентрации мощности оборудования, централизации ремонтов, автоматизации производственных процессов.
Конструкции линий электрических сетей
Общие положения
Воздушные линии электропередачи (ВЛ) предназначены для передачи электроэнергии на расстояние по проводам. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода, тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. Провода служат для передачи электроэнергии. В верхней части опор над проводами для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений монтируют грозозащитные тросы.
Опоры поддерживают провода и тросы на определенной высоте над уровнем земли или воды. Изоляторы изолируют провода от опоры. С помощью линейной арматуры провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опорах.
Наибольшее распространение получили одно- и двухцепные ВЛ. Одна цепь трехфазной ВЛ состоит из проводов разных фаз. Две цепи могут располагаться на одних и тех же опорах.
На рис.2.1 показана металлическая опора одноцепной линии. На работу конструктивной части ВЛ оказывают воздействие механические нагрузки от собственного веса проводов и тросов, от гололедных образований на проводах, тросах и опорах, от давления ветра, а также из-за изменений температуры воздуха. Из-за воздействия ветра возникает вибрация проводов (колебания с высокой частотой и незначительной амплитудой), а также пляска проводов (колебания с малой частотой и большой амплитудой). Механические нагрузки, вибрация и пляска проводов могут приводить к обрыву проводов, поломке опор, схлестыванию проводов либо сокращению их изоляционных промежутков, что может привести к пробою или перекрытию изоляции. На повреждаемость ВЛ влияет и загрязнение воздуха.
Рис. 2.1. Промежуточная металлическая опора одноцепной линии 110 кВ:
1 - провода; 2 - изоляторы; 3 - грозозащитный трос;
4 - тросостойка; 5 - траверсы опоры; 6 - стойка опоры; 7 - фундамент опоры.
Провода и грозозащитные тросы воздушных линий
На ВЛ чаще всего применяются неизолированные провода. Материал проводов должен иметь высокую электрическую проводимость. Наибольшую проводимость имеет медь, затем алюминий; сталь имеет значительно более низкую проводимость. Провода и тросы должны быть выполнены из металла, обладающего достаточной прочностью. По механической прочности на первом месте стоит сталь. Материал проводов и тросов должен быть стойким по отношению к коррозии и химическим воздействиям. В настоящее время наибольшее распространение получили провода алюминиевые (А), сталеалюминевые (АС), а также из сплавов алюминия - (АН, АЖ). Медные провода не используются без специальных технико-экономических обоснований.
Грозозащитные тросы, как правило, выполняются из стали. В последние годы грозозащитные тросы используются для организации высокочастотных каналов связи. Такие тросы выполняются сталеалюминиевыми.
Конструкции и общий вид неизолированных проводов приведены на рис. 2.2. Однопроволочный провод (рис.2.2,б) состоит из одной круглой проволоки. Такие провода дешевле многопроволочных, однако, они менее гибки и имеют меньшую механическую прочность. Многопроволочные провода из одного металла (рис.2.2,в) состоят из нескольких свитых между собой проволок. При увеличении сечения увеличивается число проволок. В многопроволочных сталеалюминиевых проводах (рис.2.2,г) сердечник провода (внутренние проволоки) выполняется из стали, а верхние проволоки - из алюминия.
Стальной сердечник увеличивает механическую прочность, алюминий является токопроводящей частью провода. Полые провода (рис. 2.2, д) изготовляют из плоских проволок, соединенных друг с другом в паз, что обеспечивает конструктивную прочность провода. У таких проводов больший по сравнению со сплошными проводами диаметр, благодаря чему повышается напряжение, при котором появляется коронирующий разряд на проводах, и значительно снижаются потери энергии на корону. Полые провода применяются на ВЛ редко, они главным образом используются для ошиновки подстанций 330 кВ и выше. Для снижения потерь электроэнергии на корону ВЛ при Uном ≥ ЗЗ0 кВ каждая фаза ВЛ расщепляется на несколько проводов.
Рис. 2.2. Конструкции проводов ВЛ:
а - общий вид многопроволочного провода; б – сечение однопроволочного првода; в, г - сечения многопроволочных проводов из одного и двух металлов; д - сечение полого провода.
Наиболее широко применяются сталеалюминиевые провода. Проводимость стального сердечника не учитывается, а за электрическое сопротивление принимается только сопротивление алюминиевой части. В соответствии с ГОСТ 839-80 выпускаются сталеалюминиевые провода марок АС, АСКС, АСКП, АСК.
Провод марки АС состоит из стального сердечника и алюминиевых проволок. Провод предназначается для ВЛ при прокладке их на суше, кроме районов с загрязненным вредными химическими соединениями воздухом. Коррозионно-стойкие провода АСКС, АСКП, АСК предназначены для ВЛ, проходящих по побережьям морей, соленых озер и в промышленных районах с загрязненным воздухом; АСКС и АСКП - это провода марки АС, в которых межпроволочное пространство стального сердечника (С) или всего провода (П) заполнено нейтральной смазкой повышенной термостойкости; АСК - провод марки АСКС, где стальной сердечник изолирован двумя лентами полиэтиленовой пленки. В обозначение марки провода вводится номинальное сечение алюминиевой части провода и сечение стального сердечника, например АС 120/19 или АСКС 150/34.
Опоры воздушных линий
Основными типами опор ВЛ являются анкерные и промежуточные. Опоры этих двух основных групп различаются способом подвески проводов. На промежуточных опорах провода подвешиваются с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов (рис.2.1). Расстояние между промежуточными опорами называется промежуточным пролетом или просто пролетом, а расстояние между анкерными опорами - анкерным пролетом. Промежуточные опоры устанавливаются на прямых участках ВЛ для поддержания провода в анкерном пролете. Промежуточная опора дешевле и проще в изготовлении, чем анкерная, так как благодаря одинаковому тяжению проводов по обеим сторонам она при необорванных проводах, т. е. в нормальном режиме, не испытывает усилий вдоль линии. Промежуточные опоры составляют 80-90 % общего числа опор ВЛ.
Рис. 2.3. Схема анкерного пролета ВЛ и пролета пересечения с железной дорогой
Анкерные опоры предназначены для жесткого закрепления проводов в особо ответственных точках ВЛ: на пересечениях инженерных сооружений (например, железных дорог, ВЛ 330—500 кВ, автомобильных дорог шириной проезжей части более 15 м и т.д.) и на концах ВЛ. Анкерные опоры на прямых участках трассы ВЛ при подвеске проводов с обеих сторон от опоры в нормальных режимах выполняют те же функции, что и промежуточные опоры. Но анкерные опоры рассчитываются на восприятие односторонних тяжений по проводам и тросам при обрыве проводов или тросов в примыкающем пролете. Анкерные опоры значительно сложнее и дороже промежуточных, и поэтому число их на каждой линии должно быть минимальным.
Угловые опоры устанавливают в точках поворота линии. Углом поворота линии называется угол a в плане линии (рис.2.4), дополнительный до 1800 к внутреннему углу b линии. Траверсы угловой опоры устанавливают по биссектрисе угла b.
Угловые опоры могут быть анкерного и промежуточного типа. Кроме нагрузок, воспринимаемых промежуточными опорами, на угловые опоры действуют также нагрузки от поперечных составляющих тяжения проводов и тросов. Чаще всего при углах поворота линий до 20° применяют угловые опоры анкерного типа.
Рис.2.4. Угол поворота ВЛ
1 - подножники опоры; 2- траверса; 3 - петля
На ВЛ применяются специальные опоры следующих типов: транспозиционные - для изменения порядка расположения проводов на опорах; ответвительные - для выполнения ответвлений от основной линии; переходные - для пересечения рек, ущелий и т. д.
Транспозицию применяют на линиях напряжением 110кВ и выше протяженностью более 100 км для того, чтобы сделать емкость и индуктивность всех трех фаз цепи ВЛ одинаковыми. При этом на опорах последовательно меняют взаимное расположение проводов по отношению друг к другу на разных участках линии: провод каждой фазы проходит одну треть длины линии на одном, вторую - на другом и третью - на третьем месте. Такое тройное перемещение проводов называют циклом транспозиции (рис.2.5).
Рис. 2.5. Цикл транспозиции проводов одоноцепной линии
Наиболее распространенные расположения проводов и грозозащитных тросов на опорах изображены на рис.2.6. Расположение проводов треугольником (рис.2.6,а) применяют на ВЛ 10кВ и на одноцепных ВЛ 35-330кВ с металлическими и железобетонными опорами. Горизонтальное расположение проводов (рис.2.6,б) используют на ВЛ 35-220 кВ с деревянными опорами и на ВЛ 330 кВ. Это расположение проводов позволяет применять более низкие опоры и уменьшает вероятность схлестывания проводов при образовании гололеда и пляске проводов. Поэтому горизонтальное расположение предпочтительнее в гололедных районах.
На двухцепных ВЛ расположение проводов обратной елкой удобнее по условиям монтажа (рис.2.6, в), но увеличивает массу опор и требует подвески двух защитных тросов. Наиболее экономичны двухцепные ВЛ 35—330 кВ на стальных и железобетонных опорах с расположением проводов бочкой (рис.2.6, г).
Рис.2.6. Расположение проводов и тросов на опорах:
а - по вершинам треугольника; б - горизонтальное; в - обратная елка; г - бочка
Деревянные опоры применяют на ВЛ до 35 кВ включительно. Достоинства этих опор - малая стоимость (в районах, располагающих лесными ресурсами) и простота изготовления. Недостаток - подверженность древесины гниению, особенно в месте соприкосновения с почвой. Эффективное средство против гниения - пропитка специальными антисептиками.
Металлические (стальные) опоры, применяемые на линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше, для защиты от коррозии в процессе эксплуатации требуют окраски. Устанавливают металлические опоры на железобетонных фундаментах. Эти опоры по конструктивному решению тела опоры могут быть отнесены к двум основным схемам - портальным (рис.2.7, а,б) и башенным или
Рис. 2.7. Металлические опоры:
а - промежуточная одноцепная на оттяжках 500 кВ; б - промежуточная V - образная 1150кВ; в - промежуточная опора ВЛ постоянного тока 1500 кВ; г - свободностоящая 110 кВ
Независимо от конструктивного решения и схемы металлические опоры выполняются в виде пространственных решетчатых конструкций. Унифицированная одноцепная промежуточная опора ВЛ 110 кВ показана на рис.2.1, а двухцепная ВЛ 220 кВ - на рис. 2.8,а. Анкерные опоры отличаются от промежуточных увеличенными вылетами траверс и усиленной конструкцией тела опоры. На ВЛ 500 кВ, как правило, применяется горизонтальное расположение проводов. Промежуточные опоры 500 кВ могут быть портальными свободностоящими или на оттяжках. Наиболее распространенная конструкция опоры 500 кВ - портал на оттяжках (рис.2.7, а). Для линии 750 кВ применяются как портальные опоры на оттяжках, так и V-образные опоры типа «Набла» с расщепленными оттяжками. Основным типом промежуточных опор для линий 1150 кВ являются V-образные опоры на оттяжках с горизонтальным расположением проводов (рис.2.7, б).
Рис. 2.8.Металлические свободностоящие двухцепные опоры:
а - промежуточная 220 кВ, б - анкерная угловая 110 кВ
Железобетонные опоры долговечнее деревянных, требуют меньше металла, чем металлические, просты в обслуживании и поэтому широко применяются на ВЛ до 500кВ включительно. При изготовлении железобетонных опор для обеспечения необходимой плотности бетона применяются виброуплотнение и центрифугирование. Виброуплотнение производится различными вибраторами (инструментами или навесными приборами), а также на вибростолах. Центрифугирование обеспечивает хорошее уплотнение бетона и требует специальных машин - центрифуг. На ВЛ 110 кВ и выше стойки опор и траверсы портальных опор - центрифугированные трубы, конические или цилиндрические. На ВЛ 35кВ стойки - центрифугированные или из вибробетона, а для ВЛ более низкого напряжения - только из вибробетона. Траверсы одностоечных опор - металлические оцинкованные.
Для ВЛ 35—500 кВ применяются преимущественно унифицированные конструкции металлических и железобетонных опор. В результате этого сокращено число типов и конструкций опор и их деталей. Это позволило серийно производить опоры на заводах, что позволяет ускорить и удешевить сооружение линий.
Рис. 2.9. Промежуточные железобетонные опоры:
а - одностоечная свободностоящая двухцепная 110 кВ; б - портальная с оттяжками одноцепная 500 кВ.
Изоляторы и линейная арматура
Линейные изоляторы предназначены для изоляции и крепления проводов на ВЛ и в распределительных устройствах электрических станций и подстанций. Изготовляются они из фарфора, закаленного стекла или полимерных материалов. По конструкции изоляторы разделяют на штыревые и подвесные.
Штыревые изоляторы применяются на ВЛ напряжением до 1 кВ и на ВЛ 6-35кВ. На номинальное напряжение 6-10 кВ и ниже изоляторы изготовляют одноэлементными (рис. 2.10, а), а на 20-35кВ - двухэлементными (рис.2.10, б). В условном обозначении изолятора буква и цифры обозначают: Ш - штыревой; Ф (С) - фарфоровый (стеклянный); цифра - номинальное напряжение, кВ; последняя буква А, Б, В - исполнение изолятора. Штыревые изоляторы крепятся на опорах при помощи крюков. Если требуется повышенная надежность, то на анкерные опоры устанавливают не один, а два и даже три штыревых изолятора.
Рис. 2.10. Штыревые и подвесные изоляторы:
а - штыревой 6-10 кВ; б - штыревой 20-35 кВ; в - подвесной тарельчатого типа
Подвесные изоляторы тарельчатого типа наиболее распространены на ВЛ напряжением 35кВ и выше. Подвесные изоляторы (рис.2.10,в) состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей части 1 и металлических деталей - шапки 2 и стержня 3, соединяемых с изолирующей частью посредством цементной связки 4. На рис. 2.10,в показан фарфоровый изолятор нормального исполнения. Для ВЛ в районах с загрязненной атмосферой разработаны конструкции изоляторов грязестойкого исполнения с повышенными разрядными характеристиками и увеличенной длиной пути утечки. Подвесные изоляторы собирают в гирлянды (рис. 2.11, а, б), которые бывают поддерживающими и натяжными. Первые монтируют на промежуточных опорах, вторые - на анкерных. Число изоляторов в гирлянде зависит от напряжения линии. Например, в поддерживающих гирляндах ВЛ с металлическими и железобетонными опорами 35 кВ должно быть 3 изолятора; 110кВ – 6-8, 220 кВ – 10-14 и т. д.
Линейная арматура, применяемая для крепления проводов к изоляторам и изоляторов к опорам, делится, на следующие основные виды: зажимы, применяемые для закрепления проводов в гирляндах подвесных изоляторов; сцепную арматуру для подвески гирлянд на опорах и соединения многоцепных гирлянд друг с другом, а также соединители для соединения проводов и тросов в пролете.
Сцепная арматура включает скобы, серьги и ушки. Скоба предназначена для присоединения гирлянды к траверсе опоры или к закрепляемым на траверсе деталям. Поддерживающая гирлянда изоляторов (рис. 2.11, а) закрепляется на траверсе промежуточной опоры при помощи серьги 1. Серьга 1 с одной стороны соединяется со скобой или с деталью на траверсе, а с другой стороны вставляется в шапку верхнего изолятора 2. К нижнему изолятору гирлянды за ушко 3 прикреплен поддерживающий зажим 4, в котором помещен провод 5.
Рис. 2.11. Поддерживающие и натяжные гирлянды изоляторов и линейная арматура:
а - поддерживающая гирлянда изоляторов с глухим зажимом; б - натяжная гирлянда изоляторов с болтовым зажимом; в - глухой поддерживающий зажим; г - болтовой натяжной зажим; д - прессуемый натяжной зажим; е, ж - соединители овальные с обжатием и с закручиванием; з - соединитель прессуемый; и - подвеска гасителей вибрации у натяжных и поддерживающих зажимов; к – демпфирующая петля; л – распорки.
Зажимы для закрепления проводов и тросов в гирляндах подвесных изоляторов подразделяются на поддерживающие, подвешиваемые на промежуточных опорах, и натяжные, применяемые на опорах анкерного типа. По прочности закрепления провода поддерживающие зажимы подразделяются на глухие и с заделкой ограниченной прочности. Глухой зажим показан на рис.2.11,в. Нажимные болты 1 через плашку 2 прижимают провод к корпусу зажима («лодочке») 3 и удерживают его на месте при одностороннем тяжении. Глухие зажимы - основной тип зажимов, применяемых в настоящее время на ВЛ 35-500кВ.
Овальные соединители (рис. 2.11, е, ж) применяются для проводов сечением до 185 мм2 включительно. В них провода укладываются внахлест, после чего производится обжатие соединителя с помощью специальных клещей (рис. 2.11, е). Сталеалюминиевые провода сечением до 95 мм2 включительно закрепляются в соединителях методом скручивания (рис. 2.11, ж).
Прессуемые соединители используются для соединения проводов сечением 240 мм2 и более и стальных тросов всех сечений. Для сталеалюминиевых проводов эти зажимы состоят из двух трубок: одной - стальной, предназначенной для соединения внутренних стальных жил, и другой - алюминиевой, накладываемой поверх первой и служащей для соединения наружных алюминиевых жил (рис. 2.11, з).
К проводам ВЛ вблизи от зажимов подвешиваются гасители вибрации с грузами или демпфирующие петли, применение которых уменьшает вибрацию и позволяет предотвратить излом проволок провода. Гаситель вибрации состоит из двух чугунных грузов 1, соединенных стальным тросом 2 (рис. 2.11, и). Для алюминиевых и сталеалюминиевых проводов малых сечений защита от вибрации осуществляется с помощью демпфирующей петли 1 из провода той же марки. Петля прикрепляется к проводу болтовыми зажимами 2 по обе стороны поддерживающего зажима 3 у подвесной гирлянды изоляторов 4 (рис. 2.11, к).
На проводах ВЛ 330-750 кВ применяются распорки (1 - на рис. 2.11, л) для фиксации проводов расщепленной фазы относительно друг друга. Эти распорки обеспечивают требуемое расстояние между отдельными проводами фазы и предохраняют их от схлестывания, соударения и закручивания.
КОНСТРУКЦИЯ КАБЕЛЕЙ И КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ
Силовые кабели состоят из одной или нескольких токопроводящих жил, отделенных друг от друга и от земли изоляцией. Поверх изоляции для ее предохранения от влаги, кислот и механических повреждений накладывают защитную оболочку, и стальную ленточную броню с защитными покровами. Токопроводящие жилы, как правило, изготовляются из алюминия как однопроволочными (сечением до 16 мм2), так и многопроволочными. Применение кабелей с медными жилами предусмотрено только в специальных случаях, например во взрывоопасных помещениях, в шахтах, опасных по газу и пыли. На переменном токе до 1 кВ применяют четырехжильные кабели, сечение четвертой, нулевой жилы меньше, чем основных. Кабели в сетях переменного тока до 35 кВ – трехжильные, кабели 110 кВ и выше–одножильные. На постоянном токе применяют одножильные и двухжильные кабели.
Изоляция выполняется из специальной пропитанной минеральным маслом кабельной бумаги, накладываемой в виде лент на токопроводящие жилы. При прокладке кабелей на вертикальных и крутонаклонных трассах возможно перемещение пропитывающего состава вдоль кабеля. Поэтому для таких трасс изготовляются кабели с обедненно-пропитанной изоляцией и с нестекающим пропитывающим составом. Изготовляются также кабели с резиновой или полиэтиленовой изоляцией.
Защитные оболочки, накладываемые поверх изоляции для ее предохранения от влаги и воздуха, бывают свинцовыми, алюминиевыми или поливинилхлоридными. Рекомендуется широко использовать кабели в алюминиевой оболочке. Кабели в свинцовой оболочке предусмотрены для прокладки под водой, в угольных и сланцевых шахтах, в особо опасных коррозионно-активных средах. В остальных случаях выбор кабелей в свинцовой оболочке надо специально технически обосновать.
Свинцовые, алюминиевые или поливинилхлоридные оболочки надо защитить от механических повреждений. Для этого на оболочку накладывают броню из стальных лент или проволок. Алюминиевая оболочка и стальная броня в свою очередь подлежат защите от коррозии, химического воздействия и блуждающих в земле токов. Для этого между оболочкой и броней, а также поверх брони накладывают внутренний и внешний защитные покровы. Внутренний защитный покров (или подушка под броней)– это джутовая прослойка из хлопчатобумажной пропитанной пряжи или из кабельной сульфатной бумаги. Поверх этой бумаги накладывают еще две поливинилхлоридные ленты. Наружный защитный покров – также из джута, пропитанного антикоррозионным составом. Для прокладки в туннелях и других местах, опасных в пожарном отношении, применяют специальные кабели с негорючими защитными покровами.
Кабели напряжением до 10 кВ изображены на рис. 1.15,а,б. На рис. 1.15, а показан четырехжильный кабель до1кВ: 1 – токопроводящие фазные жилы; 2 – бумажная фазная и поясная изоляция; 3 – алюминиевая или свинцовая защитная оболочка; 4 – стальная броня; 5 – защитный покров; 6 –бумажное заполнение; 7 – нулевая жила. На рис. 1.15,б изображен трехжильный кабель 1–10 кВ с бумажной изоляцией:1 – медная или алюминиевая токопроводящая жила; 2 – фазная изоляция; 3 – общая поясная изоляция; 4 – свинцовая или алюминиевая оболочка; 5 – подушка под броней; 6 – стальная броня; 7 – защитные покровы; 8 – заполнение.
Каждая из трех жил кабелей 1–10 кВ имеет секторную форму и обмотана фазной изоляцией (двумя или более слоями лентами пропитанной кабельной бумаги). Пространство между жилами заполняют жгутами из сульфатной бумаги 8. Поверх жил накладывают общую поясную изоляцию 3 той же структуры, что и фазная изоляция жил кабеля (рис. 1.15, б). Силовые линии электрического поля в кабелях с поясной изоляцией и общей металлической оболочкой имеют различные углы наклона по отношению к слоям бумаги (рис. 1.15, б), что обусловливает в них как нормальные, так и касательные (тангенциальные) составляющие поля. Это заметно ухудшает свойства кабеля, так как электрическая прочность изоляции вдоль слоев бумаги в 8–10 раз меньше по сравнению с прочностью при нормальном к бумаге направлении силовых линий. Электрическая прочность заполнителей также значительно ниже, чем пропитанной изоляции. Из-за этого недостатка кабели с поясной изоляцией и общей металлической оболочкой не применяются на напряжение выше 10 кВ.
Трехжильные кабели 20–35 кВ состоят из отдельно освинцованных или экранированных жил (рис. 1.15, г, д). В первом случае (рис. 1.15, д) бесшовная свинцовая оболочка 4 положена поверх бумажной фазной изоляции каждой жилы 3. В кабеле с экранированными жилами поверх бумажной изоляции каждой жилы наложен экран–слой перфорированной медной ленты или ленты из перфорированной металлизированной бумаги. Свинцовая оболочка
Рис. 1.15. Силовые кабели:
а – четырехжильный до 1 кВ; б– с бумажной пропитанной изоляцией 1–10 кВ;
в, г – электрическое поле в кабеле с поясной изоляцией и экранированными или освинцованными жилами; д–на напряжение 20–35 кВ; е–маслонаполненный низкого давления 110–220 кВ; ж–маслонаполненный высокого давления 220 кВ
или экран создает эквипотенциальные поверхности вокруг изоляции каждой из фаз, при которых существуют лишь радиальные силовые линии электрического поля в фазной изоляции (рис. 1.15, г). Свинцовые оболочки поверх жил сравнивают и тепловые поля в изоляции фаз. В кабеле на 20 и 35 кВ на рис. 1.15, д: 1 – круглая токопроводящая жила; 2 – полупроводящие экраны; 3 – фазная изоляция; 4 – свинцовая оболочка; 5 – подушка. Промежутки между свинцованными жилами заполнены пропитанной кабельной пряжей 6. Все три жилы скручены друг с другом и покрыты стальной броней 7. Защитный покров от коррозии–кабельная пряжа 8, пропитанная битумным составом.
Газонаполненные кабели применяются при напряжении 10–110 кВ. Это освинцованные кабели с изолирующей бумагой, пропитанной относительно малым количеством компаунда. Кабель находится под небольшим избыточным давлением инертного газа (обычно азота), что значительно повышает изолирующие свойства бумаги. Постоянство давления обеспечивается тем, что утечки газа компенсируется непрерывной подпиткой.
Кабели переменного тока 110 и 220 кВ изготовляют маслонаполненными и, как правило, одножильными. Конструкция маслонаполненного кабеля с бумажной пропитанной изоляцией на 110 и 220 кВ изображена на рис. 1.15, е: 1 – маслопроводящий канал; 2–полая токопроводящая жила
скрученная из фасонных луженых проволок; 3 – экран из двух-трех лент полупроводящей бумаги; 4 – изоляция; 5 – металлическая оболочка; 6 – подушка из поливинилхлоридных лент; 7 – медные усиливающие ленты; 8 – броня; 9 – защитные покровы. Эти кабели изготовляются с изоляцией из бумажных лент различной плотности, пропитанных высоковольтным нефтяным или синтетическим маслом малой вязкости. Маслопроводящий канал этих кабелей через специальные муфты периодически по трассе прокладки соединяется с баками давления, которое может достигать 0,3 МПа. Избыточное давление масла исключает возможность образования пустот в изоляции кабеля и значительно повышает его электрическую прочность. По значению давления, под которым находится масло, кабели делятся на кабели низкого (рис. 1.15,е) и высокого давления. Длительно допустимое избыточное давление масла в кабелях низкого давления должно быть в пределах 0,06– 0,3 МПа, а в кабелях высокого давления–1,1–1,6 МПа. Кабели высокого давления наиболее целесообразны на 220–500 кВ при прямых трассах. Конструкция такого кабеля 220 кВ показана на рис. 1.15, ж. Три однофазных кабеля размещены в стальном трубопроводе 1, покрытом защитным покровом 7 и заполненном изоляционном маслом 6 под избыточным давлением до 1,5 МПа. Токоведущая жила 4 из медных круглых проволок имеет бумажную изоляцию 3 с вязкой пропиткой. Поверх изоляции и полупроводящих бумажных лент наложена медная перфорированная лента 2 (экран), а сверх нее–две бронзовые полукруглые проволоки 5, которые служат для механической защиты изоляции от повреждений во время протягивания в стальном трубопроводе и, кроме того, способствуют улучшению циркуляции масла. Свинцовая оболочка на таком кабеле нужна только на период транспортировки и хранения; перед затягиванием кабеля в стальной трубопровод ее снимают.
ТОКОПРОВОДЫ
Токопроводы промышленных предприятий широко применяются для передачи токов в тысячи и сотни ампер при напряжениях до 20 кВ. По токопроводам высокого напряжения 6–20 кВ электроэнергия передается от источников питания (теплоэлектроцентрали или головной понизительной подстанции) к цеховым подстанциям и отдельным мощным электроприемникам. Токопроводами низкого напряжения U<1 кВ выполняют сети внутри цехов промышленных предприятий.
Рис. 1.17. Токопроводы промышленных предприятий и внутренние электрические сети:
а – токопровод в закрытой галерее; б – гибкий открытый токопровод с расщепленными фазами па 10 кВ; в–токопровод с изоляторами; г–шинная сборка до 1 кВ с болтовым присоединением ответвлений; д – токопровод внутри промышленного здания; е – изолированные провода в петлях на стенках; ж–-кабель на стене здания; з–кабели в канале в полу
Токопроводы высокого напряжения прокладывают в закрытых галереях или туннелях (рис. 1.17,а) или в виде шинных мостов и подвесных гибких токопроводов (рис. 1.17,6). Наружные токопроводы 6–20 кВ выполняют из неизолированных однопроволочных или многопроволочных проводов. На рис. 1.17, б изображен такой открытый токопровод, по сути являющийся видоизмененной ВЛ: 1 – фазы токопровода, выполненные из нескольких проводов для снижения реактивного сопротивления; 2 – железобетонная или стальная опора, совмещенная с эстакадой технологического назначения; 3–технологические трубопроводы.
Токопроводы внутри цехов обычно выполняют из алюминиевых шин. В коррозионноопасных условиях или при необходимости повышенной гибкости применяют медные шины. Иногда шины укрепляются с помощью изоляторов и помещаются в закрытый кожух для защиты от механических повреждений, пыли и т.д. (рис. 1.17, в, где 1 – кожух; 2 – шина; 3 –изоляторы). На рис. 1.17, д показан магистральный токопровод внутри промышленного здания: 1 – кожух токопровода; 2 – опора; 3 – подвеска; 4 –распределительное устройство.
На рис. 1.17, г показана простейшая конструкция токопровода до 1 кВ, состоящего из неизолированных шин 1, разъемного стального короба 2 и прокладок 3, изолирующих шины. Зажимы 4 токопровода предназначены для болтового присоединения ответвлений к электроприемникам при снятом напряжении с шин. Кроме показанных на рис. 1.17, г применяются токопроводы, на которых устанавливают ответвительные коробки со специальными разъемными контактами. С помощью последних можно присоединять приемники, не снимая напряжение с токопровода, но при отключенном приемнике.