Чому тріщать високовольтні дроти леп. Як улаштовані опори ЛЕП? Резонанс механічної системи
Одного чудового травневого дня в мене з'явилася можливість побувати в одного з найграндіозніших переходів ЛЕП у світі. Йдеться про переходи високовольтних ліній 330 кВ та 750 кВ через Каховське водосховище на Україні.
Прибувши на місце, я насамперед зняв проміжні опори в полях за Іллінкою. Це був своєрідний «розгін» перед фотосесією перехідних опор-гігантів, які манили мене з боку водосховища)
Насамперед я зняв опори двох одноланцюгових ЛЕП 330кВ. Опори були П-подібні залізобетонні, із внутрішніми зв'язками – ПВС. На знімку ці опори відображені на тлі жовтого поля з ріпаком.
Паралельно лінії 330кВ повз Іллінку проходила ЛЕП 750кВ. Особливо мені сподобалася проміжна опора 750кВ елегантного вигляду.
Якщо проміжна опора ЛЕП 750кВ виглядає досить елегантно, як жирафа, то анкерні опори цієї лінії в порівнянні з нею широкі і міцно скроєні кріпаки. Саме біля цієї опори я почав слухати лінію. Всі знають, що ЛЕП гудуть чи тріщать, і зазвичай чим вищий клас напруга, тим сильніший шум. Я пам'ятав, що ЛЕП 750кВ гуде голосно, але на свій подив виявив під лінією мертву тишу - зовсім нічого, ЛЕП явно не працювала! А ЛЕП 330кВ неподалік тріщали досить сильно.
Потім, я змусив анкерну опору ЛЕП 750кВ «потримати» сонце на своїх дротах)))
Тепер треба передислокуватися до перехідних опор, що виднілися на горизонті, по дорозі до них я зняв кілька опор 330кВ і 750кВ.
Саме тут я вперше зустрів опори типу «чарка» на лінії 330кВ, на кшталт вони були схожими на чарки ліній 500кВ.
Щиро кажучи, трохи типів опор викликали в мене такі емоції, як ця. Тріск під нею стояв неймовірний. Проводи ніби стелилися по землі. Вражала масивність цього чудовиська!
Кінцева опора 330кВ була передвісником переходу через «море». Зрештою я зробив перший знімок перехідних опор.
А тепер про історію створення переходів. У 70-ті роки минулого століття, на півдні Запорізької області, на лівому березі Каховського водосховища було споруджено Запорізьку ГРЕС потужністю 3 млн. 600 тис. кВт. Економічно необхідно було побудувати дві лінії електропередачі напругою 330 кВ, у Нікопольський енергорайон, розташований на правому березі водосховища. Перехід ліній через водяні простори такої протяжності в Радянському Союзі раніше не споруджувався.
Для першого споруджуваного переходу (330 кВ) проектувальники вибрали повітряний варіантлінії (кабельний підводний варіант був нерентабелен, складний у будівництві та експлуатації). Довжина переходу між крайніми перехідними опорами становила цілих 5,15 км (!), а безпосередньо над водою – 4,6 км. Перехід був виконаний дволанцюговим.
 |
| Берегова перехідна опора ЛЕП 330кВ |
На переході 330кВ встановлено сім перехідних опор анкерного типу заввишки 90 та 100 метрів, з яких п'ять встановлені в акваторії водосховища. Перехід прийнято за схемою К-А-А-А-А-А-А-К(К – кінцева опора, А – анкерна). Довжини прольотів ЛЕП 330 кВ становлять 810 - 920 м. Дволанцюгові опори баштового типу виконані з кутового прокату, що пройшов оцинкування.
Опори обладнані сходами, майданчиками та огородженими трапами на траверсах, причому на опору можна безперешкодно піднятися - сходи спускаються прямо до землі, на відміну від більшості інших переходів, де драбинки зазвичай не сягають землі 2-3 метри, щоб зменшити спокусу «туристів» залізти на щоглу. У даному випадку, мабуть, роль відіграла малонаселеність території.
Маса стометрової опори становить 290 тонн, а дев'яностометрової – 260 тонн. Зовні обидва типи опор дуже схожі, помітити відмінності, можна лише уважно їх розглянувши.
Найбільшу складність становило спорудження фундаментів цих опор біля водосховища. Монтаж перехідних опор на акваторії - дуже складне завдання, яке вимагає спеціального облаштування фундаментного майданчика тимчасовими причалами, вантажопідйомними механізмами. Тому вперше в практиці будівництва ЛЕП (як у нашій країні, так і за кордоном) було ухвалено рішення про спорудження переходу наплавним методом. Тому, в особливому котловані - доку, було споруджено плаваючі фундаменти і на них змонтовано перехідні опори. Наплавні фундаменти були виконані пустотілими, із тонкостінних залізобетонних елементів і, по суті, являли собою величезні поплавці.
Для забезпечення їх плавучості фундамент був зібраний з водонепроникного днища, зовнішнього борту і внутрішніх перебірок, що розділяють внутрішню частину фундаменту на 8 ізольованих один від одного баластних відсіків, а також відсіку для розміщення обладнання і центрального розподільчого відсіку. Таке виконання забезпечило непотоплюваність фундаменту та точність його баластування, а також необхідну стійкість під час буксирування суднами.
Після закінчення будівельних робітна фундаментах та монтажу на них перехідних опор, котлован заповнився водою до позначки Каховського водосховища. При відкритих кінгстонах одночасно відбувалося наповнення водою внутрішніх відсіків фундаментів. Після цього було розібрано перемичку, яка розділяла котлован-док і Каховське водосховище (процес - на фото).
По черзі, при закритих кінгстонах, з кожного фундаменту, потужними насосами відкачувалась вода, і після його випливання, проводилося буксирування до місця встановлення на трасі переходу. Буксирування опор з водосховища та роботи з їх встановлення проводилися за допомогою п'яти буксирних теплоходів - двох головних (потужністю по 1200 к.с.); двох бічних (потужністю по 300 л.с.) та одного заднього (гальмівного) потужністю 600 л.с. Доставка всіх п'яти систем фундамент-опора була виконана за 12 днів. Після доставки фундаментів до місця призначення відсіки знову затоплювалися, внаслідок чого фундаменти сідали на необхідне місце на дні водосховища.
Перехід ЛЕП 330 кВ (Л243/244) було введено в експлуатацію у 1977 році. У 1984 році, для видачі потужності Запорізької АЕС тим же складом будівельно-монтажних організацій, аналогічним наплавним методом, споруджено одноланцюговий перехід лінії 750 кВ «Запорізька АЕС — ПС 750 кВ Дніпровська» (потужна електропідстанція під Вільногірськом див. http://io.ua / S75116).
 |
||
| Опори в доку |
Створення переходу для більш потужної лінії 750кВ обрано в районі розташування Запорізької ГРЕС, паралельно існуючому переходу ПЛ 330 кВ, на відстані 350 м вище за його течією. При прийнятті рішення на будівництво переходу ПЛ 750 кВ через Каховське водосховище – унікальну споруду за своїми масштабами та потужністю лінії – велику роль відіграв досвід проектування, будівництва переходу лінії 330 кВ. Перехід був зроблений одноланцюжним по схемою К-П-П-А-П-П-К; із п'яти перехідних опор, з яких три опори встановлені на акваторії водосховища. Опори переходу цієї лінії також оцинковані.
Перехідні проміжні опори заввишки 126 м мають масу 375 тонн. Анкерна опора заввишки 100 м важить 350 т. Довжини перехідних прольотів становлять 1215-1350 метрів. Монтаж проводів був виконаний за допомогою розкочувальних барж і буксирів без опускання на дно водосховища, щоб уникнути пошкоджень. Перехід лінії 750 кВ був 1984 введений в експлуатацію.
 |
|
| Перехідна берегова опора 750 кв. |
 |
| Верхівка опори 750кВ |
 |
| Фундамент опори 750кВ |
 |
| Лісеня на перехідну опору ЛЕП 750кВ |
 |
||
 |
 |
|
 |
|
| Гігантська берегова перехідна опора №26 ЛЕП 750кВ |
Чому гудуть дроти ЛЕП? Ви колись замислювалися про це? Адже відповідь на це питання може бути аж ніяк не тривіальною, хоч і цілком нехитрою. Давайте розглянемо кілька варіантів пояснення, кожен із яких має право існування.
Коронний розряд
Найчастіше наводять таку ідею. Змінне електричне полепоблизу дроту ЛЕП електризує повітря навколо дроту, розганяє вільні електрони, які іонізують молекули повітря, а вони породжують . І ось, 100 разів на секунду загоряється і гасне коронний розряд навколо дроту, при цьому повітря біля дроту нагрівається - остигає, розширюється - стискається, і таким чином виходить звукова хвиля в повітрі, яка сприймається нашим вухом як гудіння дроту.
Вібрують жили
Ще є така ідея. Шум походить від того, що змінний струм із частотою 50 Гц народжує змінне магнітне поле, яке змушує окремі жили у дроті (особливо сталеві - у проводах марок типу АС-75, 120, 240) вібрувати, вони ніби стикаються один з одним, і ми чуємо характерний шум.
Крім того, дроти різних фаз розташовані один біля одного, їх струми знаходяться в магнітних полях один одного, і згідно із законом Ампера на них діють сили. Оскільки частота змін полів 100 Гц - ось і вібрують дроти в магнітних полях один одного від сил Ампера на цій частоті, і ми її чуємо.
Резонанс механічної системи
І така гіпотеза подекуди зустрічається. Коливання частотою 50 або 100 Гц передаються на опору і за певних умов опора, входячи в резонанс, починає видавати звук. На гучність і резонансну частоту впливають щільність матеріалу опори, діаметр опори, висота опори, довжина дроти в прольоті, і навіть його перетин і сила натягу. Якщо в резонанс попадання є — чути шум. Якщо немає попадання в резонанс - шуму немає або він тихіше.
Вібрація у магнітному полі Землі
Розглянемо ще одну гіпотезу. Провід вібрують з частотою 100 Гц, а це означає, що на них постійно діє змінна поперечна сила, пов'язана зі струмом у проводах, з його величиною і напрямом. Де ж зовнішнє магнітне поле? Гіпотетично, це може бути магнітне поле, що завжди під ногами, яке орієнтує стрілку компаса, - .
Справді, струми у дротах високовольтних ЛЕПдосягають в амплітуді кількох сотень ампер, при цьому довжина проводів ліній чимала, і магнітне поле нашої планети хоч і відносно мало (його індукція в середній смузіРосії складає всього близько 50 мкТл), проте діє воно всюди по планеті, і скрізь має не тільки горизонтальну, а й вертикальну складову, яка перетинає перпендикулярно як дроти ЛЕП прокладені вздовж силових ліній магнітного поля Землі, так і дроти, що зорієнтовані упоперек них або взагалі під будь-яким іншим кутом.
Для розуміння процесу кожен може провести такий нескладний експеримент: візьміть автомобільний акумуляторта гнучкий акустичний провід, перетином 25 кв.мм, довжиною хоча б 2 метри. Приєднайте його на мить до клем акумулятора. Провід підстрибне! Що це, якщо не імпульс сили Ампера, що подіяла на провід зі струмом у магнітному полі Землі? Хіба що провід підскочив у власному магнітному полі.
Найчастіше ми уявляємо собі опору ЛЕП у вигляді ґратчастої конструкції. Років 30 тому це був єдиний варіант, та й у наші дні їх продовжують будувати. На місце будівництва привозять набір металевих куточківі крок за кроком звинчують із цих типових елементівопору. Потім приїжджає кран та ставить конструкцію вертикально. Такий процес займає досить багато часу, що позначається на термінах прокладання ліній, а самі ці опори з похмурими ґратчастими силуетами дуже недовговічні. Причина – слабкий захист від корозії. Технологічна недосконалість такої опори доповнює простий бетонний фундамент. Якщо зроблений він недобросовісно, наприклад із застосуванням розчину неналежної якості, то через якийсь час бетон розтріскається, у тріщини потрапить вода. Декілька циклів заморожування-відтавання, і фундамент треба переробляти або серйозно ремонтувати.
Трубки замість куточків
Про те, що за альтернатива йде на зміну традиційним опорам із чорного металу, ми запитали представників ПАТ "Россеті". «У нашій компанії, яка є найбільшим електромережевим оператором у Росії, — каже фахівець цієї організації, — ми давно намагалися знайти вирішення проблем, пов'язаних із ґратчастими опорами, і наприкінці 1990-х почали переходити на гранові опори. Це циліндричні стійки з гнутого профілю, фактично труби, у поперечному перерізі мають вигляд багатогранника. Крім того, ми почали застосовувати нові методи антикорозійного захисту, переважно метод гарячого цинкування. Це електрохімічний спосіб нанесення захисного покриття металу. В агресивному середовищі шар цинку стоншується, але несуча частина опори залишається неушкодженою».
Крім більшої довговічності, нові опори відрізняються ще й простотою монтажу. Ніяких куточків більше не слід свинчувати: трубчасті елементи майбутньої опори просто вставляються один в одного, потім з'єднання закріплюється. Змонтувати таку конструкцію можна у вісім-десять разів швидше, ніж зібрати ґратчасту. Відповідні перетворення зазнали і фундаменти. Замість звичайного бетонного стали застосовувати так звані палі-оболонки. Конструкція опускається в землю, до неї кріпиться фланець у відповідь, а на нього вже ставиться сама опора. Розрахунковий термін служби таких опор — до 70 років, тобто приблизно вдвічі більше, ніж у ґратчастих.
Опори електричних повітряних лінійми зазвичай уявляємо саме так. Однак класична гратчаста конструкція поступово поступається місцем більш прогресивним варіантам - багатогранним опорам і опорам з композитних матеріалів.
Чому гудуть дроти
А дроти? Вони висять над землею і здалеку схожі на товсті монолітні троси. Насправді високовольтні дроти свиті з дроту. Звичайний та повсюдно застосовуваний провід має сталевий сердечник, який забезпечує конструктивну міцність і знаходиться в оточенні алюмінієвого дроту, так званих зовнішніх повивів, через які передається струмове навантаження. Між сталлю та алюмінієм прокладено мастило. Вона потрібна для того, щоб зменшити тертя між сталлю та алюмінієм – матеріалами, що мають різний коефіцієнт теплового розширення. Але оскільки алюмінієвий дріт має круглий переріз, витки прилягають один до одного нещільно, поверхня дроту має виражений рельєф. Цей недолік має два наслідки. По-перше, в щілини між витками проникає волога і вимиває мастило. Тертя посилюється і створюються умови для корозії. Через війну термін служби такого дроту становить трохи більше 12 років. Щоб продовжити термін служби, на провід часом надягають ремонтні манжети, які можуть стати причинами проблем (про це трохи нижче). Крім того, така конструкція дроту сприяє створенню поблизу повітряної лінії добре помітного шуму. Відбувається через те, що змінна напруга 50 Гц народжує змінне магнітне поле, яке змушує окремі жили у проводі вібрувати, що тягне їх зіткнення один з одним, і ми чуємо характерне гудіння. У країнах ЄС такий шум вважається акустичним забрудненням і з ним борються. Тепер така боротьба розпочалася й у нас.
«Старі дроти ми зараз хочемо замінити на дроти нової конструкції, яку розробляємо, – каже представник ПАТ «Россети». — Це теж сталь-алюмінієві дроти, але дріт там застосовується не круглого перерізу, а скоріше трапецієподібного. Повив виходить щільним, а поверхня дроту гладка, без щілин. Волога всередину потрапити майже не може, мастило не вимивається, сердечник не іржавіє, і термін служби такого дроту наближається до тридцяти років. Провід подібної конструкції вже використовується в таких країнах, як Фінляндія та Австрія. Лінії з новими проводами є й у Росії – у Калузької області. Це лінія «Орбіта-Супутник» завдовжки 37 км. Причому там дроти мають не просто гладку поверхню, а й інший сердечник. Він виконаний не зі сталі, а зі скловолокна. Такий провід легший, але міцніший на розрив, ніж звичайний сталь-алюмінієвий».
Однак останнім конструкторським досягненням у цій галузі можна вважати провід, створений американським концерном 3M. У цих дротах несуча здатністьзабезпечується тільки струмопровідними повивами. Там немає сердечника, але самі повиви армовані оксидом алюмінію, що досягає високої міцності. У цього дроту чудова здатність, що несе, і при стандартних опорах він за рахунок своєї міцності і малої ваги може витримувати прольоти довжиною до 700 м (стандарт 250-300 м). Крім того, провід дуже стійкий до теплових навантажень, що зумовлює його використання у південних штатах США та, наприклад, в Італії. Однак у дроту від 3M є один суттєвий мінус - надто висока ціна.
Оригінальні «дизайнерські» опори є безперечною прикрасою ландшафту, проте навряд чи вони набудуть широкого поширення. У пріоритеті електромережних компаній надійність передачі енергії, а не дорогі «скульптури».
Лід та струни
У повітряних ліній електропередач є свої природні вороги. Один із них — зледеніння проводів. Особливо це лихо характерне для південних районівРосії. При температурі близько нуля краплі смороси падають на провід і замерзають на ньому. Відбувається утворення кристалічної шапки на верхній частині дроту. Але це лише початок. Шапка під своєю вагою поступово провертає провід, підставляючи замерзаючій волозі інший бік. Рано чи пізно навколо дроту утворюється крижана муфта, і якщо вага муфти перевищить 200 кг на метр, провід обірветься і хтось залишиться без світла. У компанії «Россеті» є своє ноу-хау боротьби з льодом. Ділянка лінії з зледенілими проводами відключається від лінії, але підключається до джерела постійного струму. При використанні постійного струму омічний опір дроту можна практично не враховувати і пропускати струми, скажімо, вдвічі сильніше, ніж розрахункове значення для змінного струму. Провід нагрівається, і крига плавиться. Провід скидають непотрібний вантаж. Але якщо на проводах є ремонтні муфти, виникає додатковий опір, і ось тоді провід може і перегоріти.
Інший ворог - високочастотні та низькочастотні коливання. Натягнутий провід повітряної лінії - це струна, яка під впливом вітру починає вібрувати з високою частотою. Якщо ця частота збігатиметься з власною частотою дроту і відбудеться суміщення амплітуд, провід може порватися. Щоб впоратися з цією проблемою, на лініях встановлюють спеціальні пристрої - гасники вібрації, що мають вигляд тросика з двома грузиками. Ця конструкція, що має свою частоту коливань, засмучує амплітуди і гасить вібрацію.
З низькочастотними коливаннями пов'язаний такий шкідливий ефект, як «танець проводів». Коли на лінії відбувається обрив (наприклад, через льоду, що утворився), виникають коливання проводів, які йдуть хвилею далі, через кілька прольотів. В результаті можуть погнути або навіть впасти п'ять-сім опор, що становлять анкерний проліт (відстань між двома опорами з жорстким кріпленням дроту). Відомий засіб боротьби з танцем - встановлення міжфазних розпірок між сусідніми проводами. За наявності розпірки дроту взаємно гаситимуть свої коливання. Інший варіант - використання на лінії опор із композитних матеріалів, зокрема зі склопластику. На відміну від металевих опор композитна має властивість пружної деформації і легко «відіграє» коливання проводів, нагнувшись, а потім відновивши вертикальне положення. Така опора може запобігти каскадне падіння цілої ділянки лінії.
На фото чітко видно різниця між традиційним високовольтним проводом та проводом нової конструкції. Замість дроту круглого перерізу використано попередньо деформований дріт, а місце сталевого сердечника зайняв сердечник з композиту.
Опори-унікуми
Зрозуміло, існують різноманітні унікальні випадки, пов'язані з прокладанням повітряних ліній. Наприклад, при встановленні опор в обводнений ґрунт або в умовах вічної мерзлоти звичайні палі-оболонки для фундаменту не підійдуть. Тоді використовуються гвинтові палі, які загвинчують у ґрунт як шуруп, щоб досягти максимально міцної основи. Особливий випадок- Це проходження ЛЕП широких водних перешкод. Там використовуються спеціальні висотні опори, які важать разів у десять більше звичайних і мають висоту 250-270 м. Оскільки довжина прольоту може становити більше двох кілометрів, застосовується особливий провід з посиленим осердям, який додатково підтримується вантажоросом. Так улаштований, наприклад, перехід ЛЕП через Каму з довжиною прольоту 2250 м-коду.
Окрему групу опор представляють конструкції, покликані як тримати дроти, а й нести у собі певну естетичну цінність, наприклад опоры-скульптуры. У 2006 році компанія «Россети» ініціювала проект з метою розробити опори оригінальним дизайном. Були цікаві роботиАле автори їх, дизайнери, часто не могли оцінити можливість і технологічність інженерного втілення цих конструкцій. Загалом треба сказати, що опори, в які вкладено художній задум, як, наприклад, опори-фігури в Сочі, зазвичай встановлюються не з ініціативи мережевих компаній, а на замовлення якихось сторонніх комерційних чи державних організацій. Наприклад, США популярна опора у вигляді букви M, стилізованої під логотип мережі фастфуду «Макдоналдс».
