Линии электропередач их характеристики и классификация

Один из столпов современной цивилизации – это электроснабжение. Ключевую роль в нем выполняют линии электропередачи – ЛЭП. Независимо от удаленности генерирующих мощностей от конечных потребителей, нужны протяженные проводники, которые их соединяют. Далее расскажем более детально о том, что из себя представляют эти проводники, именуемые как ЛЭП.

Какими бывают воздушные ЛЭП

Провода, прикрепленные к опорам, – это и есть воздушные ЛЭП. Сегодня освоены два способа передачи электроэнергии на большие расстояния. Они основаны на переменном и постоянном напряжениях. Передача электроэнергии при постоянном напряжении пока еще менее распространена в сравнении с переменным напряжением. Это объясняется тем, что постоянный ток сам по себе не генерируется, а получается из переменного тока.

По этой причине необходимы дополнительные электрические машины. А они стали появляться относительно недавно, поскольку в их основе используются мощные полупроводниковые приборы. Такие полупроводники появились лишь 20–30 лет тому назад, то есть примерно в 90-е годы ХХ века. Следовательно, до этого времени уже были построены в большом количестве ЛЭП переменного тока. Отличия линий электропередачи показаны далее на схематическом изображении.

Наибольшие потери вызывает активное сопротивление материала проводов. При этом не имеет значения, какой ток – постоянный или переменный. Для их преодоления напряжение в начале передачи повышается как можно больше. Уже преодолен уровень в один миллион вольт. Генератор Г питает ЛЭП переменного тока через трансформатор Т1. А в конце передачи напряжение понижается. ЛЭП питает нагрузку Н через трансформатор Т2. Трансформатор является самым простым и надежным инструментом преобразования напряжений.

У читателя, мало знакомого с электроснабжением, скорее всего, появится вопрос о смысле передачи электроэнергии на постоянном токе. А причины чисто экономические – передача электроэнергии на постоянном токе именно в самой ЛЭП дает большую экономию:

1. Генератор вырабатывает трехфазное напряжение. Следовательно, три провода для электроснабжения на переменном токе нужны всегда. А на постоянном токе всю мощность трех фаз можно передать по двум проводам. А при использовании земли как проводника – по одному проводу. Следовательно, экономия лишь на материалах получается трехкратной в пользу ЛЭП на постоянном токе.
2. Электрические сети переменного тока при объединении в одну общую систему должны иметь одинаковую фазировку (синхронизацию). Это значит, что мгновенное значение напряжения в соединяемых электросетях должно быть одинаковым. Иначе между соединяемыми фазами электросетей будет разность потенциалов. Как следствие соединения без фазировки – авария, сопоставимая с коротким замыканием. Для электросетей постоянного тока вообще не характерна. Для них имеет значение лишь действующее напряжение на момент соединения.
3. Для электрических цепей, работающих на переменном токе, характерен импеданс, который связан с индуктивностью и емкостью. Импеданс имеется также и у ЛЭП переменного тока. Чем протяженнее линия, тем больше импеданс и потери, с ним связанные. Для электрических цепей постоянного тока понятия импеданса не существует, как и потерь, связанных с изменением направления движения электрического тока. 
4. Как уже упоминалось в п. 2, для стабильности в энергосистеме нужна синхронизация генераторов. Но чем больше система, работающая на переменном токе, и, соответственно, число электрогенераторов, тем сложнее их синхронизировать. А для энергосистем постоянного тока любое число генераторов будет нормально работать.

Из-за того, что сегодня нет достаточно мощных полупроводниковых или иных систем для преобразования напряжения, достаточно эффективного и надежного, большинство ЛЭП по-прежнему работает на переменном токе. По этой причине далее остановимся только на них.

Еще один пункт в классификации линий электропередачи – это их назначение. В связи с этим линии разделяются на

• сверхдальние,
• магистральные,
• распределительные.

Их конструкция принципиально отличается из-за разных величин напряжения. Так, в сверхдальних ЛЭП, являющихся системообразующими, применяются самые высокие напряжения, которые только существуют на нынешнем этапе развития техники. Величина в 500 кВ для них является минимальной. Это объясняется значительным удалением друг от друга мощных электростанций, каждая из которых – это основа отдельной энергосистемы.

Внутри нее существует своя распределительная сеть, задача которой – обеспечение больших групп конечных потребителей. Они присоединены к распределительным подстанциям с напряжением 220 или 330 кВ на высокой стороне. Эти подстанции являются конечными потребителями для магистральных ЛЭП. Поскольку энергетический поток уже вплотную приблизился к поселениям, напряжение необходимо уменьшить.

Распределение электроэнергии выполняют ЛЭП, напряжение которых 20 и 35 кВ для жилого сектора, а также 110 и 150 кВ – для мощных промышленных объектов. Следующий пункт классификации линий электропередачи – по классу напряжения. По этому признаку ЛЭП можно опознать визуально. Для каждого класса напряжения характерны соответствующие изоляторы. Их конструкция – это своего рода удостоверение линии электропередачи. Изоляторы изготавливаются увеличением числа керамических чашек соответственно увеличению напряжения. А его классы в киловольтах (включая напряжения между фазами, принятые для стран СНГ) такие:

• 1 (380 В);
• 35 (6, 10, 20);
• 110…220;
• 330…750 (500);
• 750 (1150).

Помимо изоляторов, отличительными признаками являются провода. С увеличением напряжения все больше проявляется эффект электрического коронного разряда. Это явление отбирает энергию и уменьшает эффективность электроснабжения. Поэтому для ослабления коронного разряда с увеличением напряжения, начиная с 220 кВ, используются параллельные провода – по одному на каждые примерно 100 кВ. Некоторые из воздушных линий (ВЛ) разных классов напряжения показаны далее на изображениях:

Опоры ЛЭП и другие заметные элементы

Для того чтобы провод надежно удерживался, применяются опоры. В простейшем случае это деревянные столбы. Но такая конструкция применима лишь к линиям до 35 кВ. А с увеличением ценности древесины в этом классе напряжений все больше используются опоры из железобетона. По мере увеличения напряжения провода необходимо поднимать выше, а расстояние между фазами делать больше. В сравнении опоры выглядят так:

В общем, опоры – это отдельная тема, которая довольно-таки обширна. По этой причине в детали темы опор линий электропередачи здесь углубляться не будем. Но чтобы кратко и емко показать читателю ее основу, продемонстрируем изображение:

В заключение информации о воздушных ЛЭП упомянем те дополнительные элементы, которые встречаются на опорах и хорошо заметны. Это

• системы защиты от молнии,
• а также реакторы.

Первые содержат специальный трос, который расположен выше проводов, и штыревые молниеотводы. Вторые предназначены для ограничения скорости нарастания тока при коротком замыкании. Реактор, по сути, – это дроссель.

Кроме перечисленных элементов, в линиях электропередачи применяется еще несколько. Но оставим их за рамками статьи и перейдем к кабелям.

Кабельные линии

Воздух – это изолятор. На этом его свойстве основаны воздушные линии. Но существуют и другие более эффективные материалы-изоляторы. Их применение позволяет намного уменьшить расстояния между фазными проводниками. Но цена такого кабеля получается настолько велика, что не может быть и речи о его использовании вместо воздушных ЛЭП. По этой причине кабели прокладывают там, где есть трудности с воздушными линиями:

• в пределах населенных пунктов и предприятий при значительной разветвленности электросети;
• при невозможности поставить опоры (линия прокладывается через большие водные пространства или горы, либо в производственном помещении).

Сложность конструкции силового кабеля для напряжения класса 110…220 кВ иллюстрирует изображение:

Кабельные линии прокладываются в грунте, воде или в специальных сооружениях:

• туннелях,
• каналах,
• шахтах,
• этажах,
• эстакадах,
• галереях.

Недостатком кабельных линий является пожароопасность некоторых марок кабелей. Но для исключения таких аварий необходимо соблюдать режим нагрузки в соответствии с рекомендованными параметрами. Они указаны в ПУЭ и технической документации проводника.