Выбор изоляции для воздушных линий 110 кВ и выше — это непростая инженерная задача, основанная прежде всего на требованиях Правил устройства электроустановок (ПУЭ) и отраслевых инструкций. А основная цель этой задачи — гарантировать надёжную работу линии в различных условиях, предотвращая перекрытия изоляции и обеспечивая безопасность человека.
Расчёт изоляционных расстояний по своей сути является продолжением расчёта длины пути утечки и определения степени загрязнения, поэтому обе эти темы следуют неразрывно друг за другом и в нашей Базе знаний.
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Выбор изоляции
Выбор изоляции (электрооборудования или линии электропередачи) начинается с определения степени загрязнения и расчёта длины пути утечки. Этот порядок подробно описан в нашем предыдущем материале.
Для открытых распределительных устройств подстанций и электростанций, выполненных по типовым проектам, этих расчётов оказывается достаточно.
Изоляция воздушных линий электропередачи (ВЛ), помимо указанного, проверяется на механические нагрузки (тяжения и стрелы провеса) и соблюдение изоляционных расстояний. Но если учёт механических нагрузок кажется очевидным и при проектировании новой ВЛ выполняется всегда, то расчёт изоляционных расстояний может быть проигнорирован. Что в некоторых случаях недопустимо и даже опасно с точки зрения электробезопасности.
В качестве подтверждения этих слов рассмотрим реальный пример.
2. Расчёт количества изоляторов в гирлянде ВЛ
ВЛ 500 кВ длиной 112 км, введённая в эксплуатацию в 1988 году, представлена преимущественно из промежуточных железобетонных опор типа ПБ 500-5Н (347 шт.).
Количество подвесных тарельчатых изоляторов для данной ВЛ 500 кВ определено по формуле (см. полную методику⎘):
\[ \mathrm{m = \frac{\lambda \cdot U_{нр} \cdot k_u \cdot k_k}{L_u} = \frac{1{,}6 \cdot 525 \cdot 1{,}25 \cdot 1}{32} = 32{,}8} \]
где удельная длина пути утечки внешней изоляции в районе с I СЗ λ = 1,6 см/кВ,
а длина пути утечки выбранного изолятора ПС 120А Lu = 32 см.
Проектом сделан небольшой запас, и в состав подвесной гирлянды изоляторов включено 34 изолятора. Общая длина гирлянды составила 5920 мм.
Расчёт количества изоляторов выбран правильно, в нормальных условиях работы нештатных ситуаций не возникает, но при штормовом ветре на линии происходит перекрытие изоляции крайней фазы на стойку.
Давайте разберёмся с этой проблемой.
3. Расчёт изоляционных расстояний существующей ВЛ
Согласно п. 2.5.73 ПУЭ при расчёте изоляционных расстояний (приближения токоведущих частей к элементам опор) ВЛ необходимо принимать следующие сочетания климатических условий:
- при рабочем напряжении: расчётная ветровая нагрузка Pwп, температура минус 5 °С, ветровое давление W0 (650 Па для III района), гололёд отсутствует;
- при грозовых и внутренних перенапряжениях: температура плюс 15 °С, ветровое давление 0,06 W0, но не менее 50 Па;
- для обеспечения безопасного подъёма на опору: температура минус 15 °С, гололёд и ветер отсутствуют.
Поддерживающая гирлянда изоляторов с проводами испытывает воздействие четырёх нагрузок (двух в горизонтальном направлении и двух — в вертикальном):
- расчётная ветровая нагрузка на провода Pwп;
- расчётная ветровая нагрузка на гирлянду изоляторов Pи;
- расчётная нагрузка от веса проводов Gпр;
- расчётная нагрузка от веса гирлянды Gг.
Угол отклонения γ поддерживающей гирлянды изоляторов от вертикали определяется величинами указанных нагрузок
1) Расчётная ветровая нагрузка на провода (п.2.5.54 ПУЭ) рассчитывается по формуле
Pwп = 3·Pwн·γnw·γp·γf,
где нормативная ветровая нагрузка на провода и тросы
Pwн = αw·Ki·Kw·Cx·W·F·sin2ψ
2) Расчётная ветровая нагрузка на гирлянду изоляторов (п.2.5.64 ПУЭ)
Pи = γnw·γp·Kw·Cx·W·Fи·γf,
где площадь диаметрального сечения цепи гирлянды изоляторов
Fи = 0,7·Dи·Hи·n·N·10-6
3) Расчётная нагрузка от веса проводов, воспринимаемая гирляндой изоляторов
Gпр = 3·mпр·L·g·γf
4) Расчётная нагрузка от веса гирлянды изоляторов
Gг = mг·g·γf
Угол отклонения γ поддерживающей гирлянды изоляторов от вертикали определяется выражением (ПУЭ п.2.5.73)
\[ \mathrm{tg \gamma = \frac{K_g \cdot P_{wп} + P_и \pm P_0}{G_{пр} + 0{,}5 \cdot G_г}} \]
Наименьшие расчётные и допустимые изоляционные расстояния от токоведущих до заземлённых частей опоры (п.2.5.73 ПУЭ, табл.2.5.17)
r = Lтр—Lг·sinγ
Рассчитаем нагрузки по указанным формулам, подставив нужные значения, сведём итоги в таблицу и отобразим результат графически.
| Расчётное условие | Pwп, Н | Pи, Н | Gпр, Н | Gг, Н | γ, град | r, м | rmin, м | Вывод |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. При рабочем напряжении, ветре без гололёда | 19030 | 942 | 16082 | 2288 | 43 | 0,74 | 1,15 | ❌ требование ПУЭ не соблюдается |
| 2. При грозовых и внутренних перенапряжениях | 1464 | 72 | 16082 | 2288 | 4 | 4,36 | 3,2 | ✅ соблюдается |
| 3. Для безопасного подъёма на опору | 0 | 0 | 16082 | 2288 | 0 | 4,59 | 4,5 | ✅ соблюдается |
По таблице и рисунку можно сделать вывод, что изоляционное расстояние от токоведущих частей до стойки при первом расчётном условии (рабочем напряжении и ветре без гололёда) не соблюдается. Отклонение гирлянды происходит на недопустимое по ПУЭ расстояние. Это подтверждает возникновение аварийных случаев перекрытия изоляции, озвученных выше.
4. Уменьшение длины гирлянды
Для решения указанной проблемы заменим используемые стеклянные изоляторы типа ПС 120А на изоляторы с увеличенным вылетом ребра и меньшей строительной высотой типа ПСВ 120Б, с длиной пути утечки 442 мм — против 320 мм у изолятора ПС 120А.
Необходимое количество новых изоляторов:
\[ \mathrm{m = \frac{\lambda \cdot U_{нр} \cdot k_u \cdot k_k}{L_u} = \frac{1{,}6 \cdot 525 \cdot 1{,}25 \cdot 1}{44{,}2} = 23{,}8} \]
Для соблюдения допустимого расстояния до токоведущих частей, находящихся под напряжением, при выполнении работ без отключения линии (3,5 м по ПОТЭЭ) увеличиваем количество изоляторов до m=27.
Общая длина гирлянды составила 4385 мм, что короче предыдущей на полтора метра при сохранении тех же изоляционных параметров.
5. Расчёт изоляционных расстояний укороченной гирлянды
Подставив новые значения в те же расчёты, полученные итоги сведём в новую таблицу и отразим результат графически.
| Расчётное условие | Pwп, Н | Pи, Н | Gпр, Н | Gг, Н | γ, град | r, м | rmin, м | Вывод |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. При рабочем напряжении, ветре без гололёда | 19030 | 783 | 16082 | 1885 | 43 | 1,79 | 1,15 | ✅ требование ПУЭ соблюдается |
| 2. При грозовых и внутренних перенапряжениях | 1464 | 60 | 16082 | 1885 | 4 | 4,47 | 3,2 | ✅ соблюдается |
| 3. Для безопасного подъёма на опору | 0 | 0 | 16082 | 1885 | 0 | 4,59 | 4,5 | ✅ соблюдается |
ВЫВОД
При проектировании воздушной линии электропередачи оказывается недостаточным выбрать изоляцию, рассчитать тяжения и стрелы провеса. Очень важной составляющей проекта оказывается также проверка на соблюдение изоляционных расстояний при заданных расчётных условиях.
Здесь мы на реальном примере показали негативный результат игнорирования подобных расчётов, а также сформулировали метод выхода из сложившейся ситуации. Уменьшение длины гирлянды за счёт применения современных изоляторов с увеличенным вылетом ребра и меньшей строительной высотой позволяет соблюсти изоляционные расстояния в условиях ветра (без гололёда), при грозовых и внутренних перенапряжениях, а также обеспечить безопасный подъём персонала на опору. Дополнительно учтена и возможность выполнения работ без отключения линии.
Пожелаем проектировщикам не наступать на грабли в подобных проектах!
ССЫЛОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Все НТД, скомпонованные по этой теме, можно найти на нашем сайте по ссылке⎘.
