Класс напряжения

Класс напряжения – условный термин, позволяющий разбить оборудование по конструктивным и эксплуатационным признакам на группы.

Из истории вопроса

История развития линий передач кратко рассмотрена в обзоре по двухполюсным автоматам, но попробуем «пробежаться по Европе», чтобы читатели осмыслили причины возникновения необходимости деления оборудования по классам напряжения. Первым в истории передан постоянный ток от динамо-машины Грамме. На три четверти мили ток послал изобретатель названного оборудования. Это случилось на Венской выставке в 1873 году. Прежде существовал уже телеграф (с линиями до 20 км), но питался гальваническими элементами или от статического генератора, к теме имеет мало отношения.

Тогда передавать ток на большие расстояния не отмечалось необходимости. Использовался от местных генераторов. К примеру, для питания маяков в Англии и Франции. Все они спрямляли ток, как нарочно, копируя современные высоковольтные линии HVDC. Новое знаменательное событие произошло в 1882 году, когда Оскар фон Миллер нанял француза Марселя Депре передать напряжение 2 кВ на расстояние порядка 60 км. Это уже стало явным достижениям, но адресата достигла четвертая часть исходной разницы потенциалов.

Потом между Эдисоном и Теслой произошёл конфликт, окончившийся на исходе 80-х созданием нового оборудования, рассчитанного на переменный ток. Нос по ветру держал Доливо-Добровольский, немедленно разработавший трёхфазную систему питания двигателей. Патент россиянину не дали по причине контраргументов Николы Теслы, но битва токов привела к наблюдению: «Использование трансформатора позволяет заметно снизить потери линии».

Что и оказалось немедля использовано. В 1891 году передано напряжение 15 кВ на целых 180 км с эффективностью 75%. Эдисон отдыхает! С этого времени преимущества переменного тока становились очевидными, низкое напряжение обусловливало высокие потери в линии. Это главная причина, почему в современном мире присутствует необходимость делить оборудование по классам напряжения.

Уже в 1912 году вольтаж достиг 110 кВ, десять лет спустя составил 220. Темпы роста напряжения демонстрировали экспоненциальную зависимость от проходящих лет. Затем сконструированы линии на 380, 765 (750) и 1200 кВ.

Тем временем в России

Россия запаздывала в развитии. То ли тайные партячейки первых революционеров отнимали силы у государства, то ли злой рок помешал стране идти в ногу со временем, факт остаётся фактом – догнать и перегнать запад не удалось, единственная высоковольтная линия оказалась разорванной исключением Казахстана из состава РФ при перевороте 90-х годов.

В мире потребление энергии каждые десять лет росло вдвое на период первого нефтяного кризиса. К началу 80-х построены первые линии сверхвысокого напряжения:

1. 1150 кВ переменного тока.
2. 1500 кВ постоянного тока.

На 1980 год в СССР действовало 70 электростанций, дававших стране по 1 ГВт и более мощности. В период с 1960 по 1990 год протяжённость линий советского государства выросла с 0,22 до 5,1 млн. км. На момент окончания «перестройки» акцент приходился на сети класса напряжения 220 кВ. Почти вдвое за прошедшие годы выросла протяжённость линий от 330 до 750 кВ. Апогеем развития советские политики считали линию Сибирь-Экибастуз-Урал, где применены самые высокие потенциалы, означенные по тексту.

Километр линии уже в те времена стоил 10 – 100 тысяч рублей. Цифры способны многократно возрастать при прокладке в особых условиях. Это касается и сверхвысоких напряжений. Поднимать вольтаж при высоких расходах допустимо, затраты на возведение ЛЭП, преобразователей и оборудования окупаются экономией на утечках. Линии постоянного тока почти не образуют коронных разрядов, потому вольтаж удалось поднять до 1,5 МВ, значительно снизив потери мощности на омическом сопротивлении медных жил.

Воздушная линия

В развитии любого класса электрооборудования неизменно возникает потребность повысить передаваемую мощность. Эффективнее всего увеличить вольтаж сети. При возрастании тока резко идут в гору потери энергии теплом на омическом сопротивлении проводов. В результате возникают иные требования к изоляции. Если в бытовой цепи её испытывают токовыми клещами с приставкой на 500 В, в оборудовании на 6,6 либо 110 кВ это смотрится несерьёзно.

К примеру, масляные трансформаторы заведомо выдерживают большее напряжение, нежели обычные, ведь условия для возникновения дуги намеренно созданы невыгодные. Следовательно, в трансформаторах ключевым признаком перехода в новый класс становится внедрение масляной изоляции. Аналогичное говорится про кабели, а в кнопочных постах мера означает иное – переход в категории аппаратуры, применяемой во взрывоопасных помещениях.

Новые сложности заставляют инженеров и изобретателей искать свежие технические решения. И в каждом случае особенная задача. Нельзя составить единый список классов напряжения для всего списка имеющегося в промышленности оборудования. Очевидно, что бытовую технику по классам напряжения делить нет смысла, но градация остаётся. К примеру, системы питания переменного тока напряжением ниже 50 В и постоянного – 120 В относятся к безопасным, допустимо применять в ванных комнатах, санузлах, на кухнях.

Классы напряжений

Классы напряжения присутствуют в технике вполне ощутимо. Удаётся встретить в сети документы подобного содержания:

• СТО 56947007-29.130.20.104 Типовые технические требования к КРУ (комплектные распределённые устройства) классов напряжения 6-35 кВ.
• ГОСТ Р 51559 Трансформаторы силовые масляные классов напряжения 110 и 220 кВ и автотрансформаторы напряжением 27,5 кВ для электрических железных дорог переменного тока.
• ГОСТ 12965 Трансформаторы силовые масляные общего назначения классов напряжения 110 и 150 кВ.
• СТО 56947007-29.130.10.077 Типовые технические требования к разъединителям классов напряжения 6-750 кВ.
• ГОСТ 1516.1 Электрооборудование переменного тока на напряжения от 3 до 500 кВ. Требования к электрической прочности изоляции.

Из приведённых названий можно заметить, что классы напряжений редко где перечисляются, потому что это касается профессионалов, а они в курсе, каким требованием должно удовлетворять то или иное оборудование. Часто градация одних авторов противоречит другим источникам. Вероятно, деление производилось по разным факторам. Допустим, в одном случае принимались во внимание конструктивные признаки, в другом – эксплуатационные. Устаревающая классификация линий электропередач может выглядеть так:

1. До 1 кВ – низкое напряжение.
2. Свыше 1 кВ – высокое напряжение.
3. 330-500 и 750 кВ – сверхвысокое напряжение.
4. Свыше 1 МВ – ультравысокое напряжение.

Здесь же рядом приводятся иные сведения:

1. 380 В и менее – низкое напряжение.
2. От 1 до 20 кВ – среднее второе напряжение.
3. 35 кВ – среднее первое напряжение.
4. 110 и 220 кВ – высокое напряжение.
5. 330-500 и 750 – сверхвысокое напряжение.
6. Выше 1 МВ – ультравысокое напряжение.

Видно, что часть названий не совпадает, поэтому классы напряжений во избежание путаницы указывают цифрами. В обозначении, как правило, фигурирует фазное напряжение.

Конструкция линий

Из сказанного можно заключить, что конструкция ЛЭП индивидуальная для каждого класса напряжений. К примеру, высоковольтные керамические изоляторы могут сломать в ветреную погоду столб местной распределительной сети 220 В, если повесить на каждую линию.

Низковольтные линии (см. классификацию выше) строятся на одиночных столбах, непосредственно закопанных в грунт. Здесь шаговое напряжение выглядит не слишком большим в случае аварии, единственной мерой защиты станет местный заземлённый громоотвод. Линии до 20 кВ мало отличаются по конструкции от описанных. Но размеры столбов, расстояние между кабелями, изоляторы увеличены. Молниезащитные тросы не используется, это экономически не оправдано.

Начиная с линий 35 кВ, конструкция усложняется, подвешиваются стальные молниезащитные тросы в районах с интенсивной грозовой деятельностью. Применяется тяжёлый кабель, прочность на излом столба повышенная. Повышенное расстояние меж проводами обеспечивается мощными изоляторами, укреплёнными на специальных траверсах. Некоторые столбы уже напоминают о высоком напряжении. Состоят из отдельных сборных стальных секций, установленных на изолирующие бетонные плиты для блокировки стекания тока на землю при аварии. Выше 35 В часто применяют сталеалюминиевые кабели, где несущие функции возложены на высокопрочный сердечник.

На ЛЭП с классом напряжения 110 кВ молниезащитные тросы подвешиваются уже по всей длине, на линиях 35 кВ – лишь в районе подстанций. Линии на 330 кВ напоминают по форме 35, но арочные столбы выше и мощнее, а изоляторов навешено гораздо больше, чтобы блокировать возникновение электрической дуги и снизить образование коронных разрядов. Молниезащита в виде проводов способна отсутствовать в ветреных регионах, где перекрытие с линией вызывает короткое замыкание. Эффект используется и для защиты при работе реле нулевой последовательности.

Заземлители высоковольтных линий обычно проходят внутри бетонных опор, чтобы понизить шаговое напряжение. В этом случае токи сразу стекают под землю и не наносят столь разрушительного урона случайным прохожим и животным. Начиная с 500 кВ молниезащитные тросы токопроводящие и используются для связи в виде стального каната с одним повивом алюминиевых проволок. На этих напряжениях применяется расщепленный провод, что резко снижает потери на коронный разряд и уменьшает напряжённость электромагнитного поля. Одновременно снижается реактивное сопротивление линии, что позволяет пользоваться на подстанциях реакторами меньших производительности и размера.

При расщеплении линии 500 кВ надвое пропускная способность возрастает на 21%, натрое – на 33%. Этим мероприятием усложняется конструкция изолирующих подвесок и арматуры опор. Удорожание линии не всегда окупается полученной экономической выгодой. В РФ расщепление линий производится согласно классам напряжений:

1. 330 кВ – надвое.
2. 500 кВ – натрое.
3. 750 кВ – на 4 или 5 линий.
4. 1150 кВ – 8 линий.

Провод распределяется по классам:

1. Чистый алюминий или сталь – до 20 кВ.
2. Сталеалюминиевые провода 4-й группы – от 35 до 110 кВ.
3. Сталеалюминиевые провода 3-й группы – 220 кВ и выше.

Различие по классам напряжений

На примере линий электропередач продемонстрировано различие конструкции по классам напряжений. Одновременно возникают эксплуатационные особенности – меры защиты, методики ремонта и возведения. В каждом случае предъявляются специфические требования. Не стоит удивляться, если провода разбиты на классы напряжений в одном порядке, а изоляторы и тросы молниезащиты – в другом.

Очевидно, что климатические условия предъявляют одни требования, а физические процессы – другие. В точности аналогично говорится об электрическом оборудовании, где деление на классы напряжения различается.