Воздушный электрический кабель: типы, выбор и монтаж

Выбор правильного подвесной электрический кабель для линии передачи или распределения требуется балансировка трех взаимозависимых переменных: способность выдерживать непрерывный ток, механическую прочность на разрыв и долговременное провисание при максимальной рабочей температуре. . Для большинства применений среднего и высокого напряжения алюминиевый провод, армированный сталью (АКСР), остается выбором по умолчанию, поскольку сердечник из оцинкованной стали выдерживает примерно 55–65% общего напряжения, в то время как алюминиевые жилы проводят ток, - разделение функций, с которым не может сравниться ни один однородный проводник при эквивалентной стоимости.

Типы проводников и состав материала

Воздушные электрические кабели классифицируются по материалам и конфигурации скруток жилы. На рынке доминируют три семейства первичных неизолированных проводников, каждое из которых подходит для определенной длины пролета и условий окружающей среды.

ACSR, или алюминиевый проводник, армированный сталью, состоит из концентрического многопроволочного стального сердечника, окруженного одним или несколькими слоями нагартованных алюминиевых жил 1350-H19. Стальной сердечник, доступный в различных классах прочности, обеспечивает прочность на растяжение, а алюминиевые слои проводят ток с проводимостью 61,2% МАКО (Международный стандарт на отожженную медь). Типичный провод ACSR «Дрейк» с скруткой 26/7 и общим диаметром 28,14 мм достигает номинальной прочности на разрыв 140 кН и длительная токовая нагрузка около 907 А при 75°C. в условиях умеренного ветра.

АААК, проводник из алюминиевого сплава, использует однородную скрутку проводов из алюминиевого сплава 6201-T81. Этот сплав содержит магний и кремний, что обеспечивает прочность на разрыв примерно в два раза выше, чем у электропроводящего алюминия 1350-H19, что устраняет необходимость в стальном сердечнике. Проводники AААС предназначены для случаев, когда коррозия стального сердечника вызывает беспокойство, особенно в прибрежных или промышленных средах с содержанием в воздухе хлоридов или соединений серы. Отсутствие магнитного стального сердечника также устраняет гистерезис и потери на вихревые токи, снижая сопротивление переменному току примерно на От 3% до 5% по сравнению с ACSR эквивалентного диаметра при том же токе нагрузки.

AAC, полностью алюминиевый проводник, изготовленный полностью из жил 1350-H19, обеспечивает самую высокую проводимость на единицу веса, но самую низкую прочность на разрыв. Его применение ограничивается короткими пролетами в городских распределительных сетях и шинопроводами внутри подстанций, где длина пролета редко превышает 50 метров и от проводника не требуется выдерживать высокие ледовые или ветровые нагрузки.

Сравнительные характеристики стандартных типов проводников

Основы допустимой нагрузки и тепловых характеристик

Допустимая нагрузка воздушного кабеля — это не фиксированное число, а функция теплового баланса между резистивными потерями (нагрев I²R), солнечным излучением, поглощаемым поверхностью проводника, конвективным охлаждением от ветра и радиационными потерями тепла в небо. Стандарт IEEE 738 определяет уравнение установившейся температуры, которое управляет этим балансом. При наихудших предположениях о ярком солнечном свете, низкой скорости ветра 0,6 м/с и температуре окружающей среды 40°C токовая нагрузка данного проводника может составлять на 25–35 % ниже чем опубликованное значение для умеренных весенних условий.

Рабочая температура проводника является независимой переменной, контролирующей провисание. Стандартные проводники ACSR рассчитаны на непрерывную работу при 75°C, 90°C или 100°C , при этом более высокие температуры разрешены в условиях аварийной или кратковременной пиковой нагрузки. При температуре выше 93°C алюминиевые жилы начинают отжигаться, что приводит к необратимому снижению их прочности на разрыв. В высокотемпературных проводниках с низким провисанием (HTLS), таких как ACSS, G(Z)TACSR и ACCR, используются полностью отожженные алюминиевые или композитные сердечники для непрерывной работы при от 150°С до 210°С , что примерно удваивает пропускную способность обычной линии ACSR в пределах той же полосы отвода без необходимости использования более высоких вышек.

Расчет натяжения и практика натягивания струн

Взаимосвязь между натяжением проводника и провисанием определяется уравнением цепной связи, которое для пролетов короче 300 метров упрощается до параболического приближения с приемлемой погрешностью. Процесс проектирования начинается с концепции основного пролета, то есть средневзвешенной длины пролета, которая представляет собой эквивалентное механическое поведение всего натянутого участка между тупиковыми конструкциями. Начальное натяжение без нагрузки при самой низкой температуре струны, обычно -20°C или 0°F , должен быть установлен таким образом, чтобы прочность проводника на разрыв не превышала 60 % от его номинальной прочности при наиболее суровом сочетании ледяной и ветровой нагрузки, указанном Национальным кодексом электробезопасности (NESC) для района географической нагрузки.

Натягивание струн – это не просто натяжение проводника до заданного натяжения и зажатие его. Проводник должен быть натянут до значения провисания, измеренного путем осмотра пролета с помощью транзитного или цифрового сагометра, при этом проводник имеет известную однородную температуру. Для 300-метрового пролета ACSR Drake при температуре 15°C, без ветра и льда, целевое провисание составляет примерно 6,5 метров , что соответствует горизонтальному натяжению около 17 кН. После фиксации проводник расслабляется за счет осадки прядей и металлургической ползучести, теряя примерно От 10% до 15% первоначального напряжения в течение первых 1000 часов эксплуатации. . Провисание струны должно предвидеть это сползание, ориентируясь на избыточное натяжение от 10% до 12%, которое затем ослабляется до расчетного окончательного провисания.

Эолова вибрация и демпфирование проводника

Когда устойчивый ламинарный ветер проходит по воздушному кабелю со скоростью от 1 до 7 м/с, он создает чередующиеся вихри Кармана, которые создают циклическую подъемную силу, перпендикулярную направлению ветра. Это эоловая вибрация, частота которой обычно находится в диапазоне от 3 до 150 Гц , заставляет проводник колебаться на естественной резонансной частоте одной из его более высоких мод колебаний или близкой к ней. Результирующая изгибная деформация в зажиме подвески проводника, где движение полностью ограничено, превышает предел усталостной выносливости алюминия примерно 57 МПа (8,3 тыс. фунтов на квадратный дюйм) в течение десятков миллионов циклов, которые накапливаются за считанные дни в условиях устойчивого ветра.

Для смягчения последствий используются демпферы Стокбриджа, спиральные демпферы вибраций (ранее называемые демпферами «собачьей кости» или демпфирующими элементами спиральной формы) или проставочные демпферы на связанных проводниках. Правильно настроенный демпфер Стокбриджа имеет две резонансные частоты, которые ограничивают доминирующую частоту проводника, поглощая энергию вибрации за счет внутреннего трения жил его несущего кабеля. Расстояние размещения демпфера от зажима не является произвольным; он должен быть расположен в точке, где амплитуда пучности колебаний проводника достаточна для возбуждения демпфера. Для типовой линии 132 кВ с проводом ACSR Lynx первый демпфер ставится От 0,8 до 1,2 метра от устья подвесного зажима. , со вторым демпфером на высоте 1,8 метра на пролетах более 400 метров.

Коронный разряд и управление электромагнитным полем

При напряжении передачи 230 кВ и выше градиент электрического поля на поверхности проводника приближается к диэлектрической пробойной прочности воздуха примерно 30 кВ/см на уровне моря . Когда уклон поверхности превышает примерно 17 кВ/см в сухих условиях, возникает коронный разряд, вызывающий звуковой шум, радиопомехи (RI) в диапазоне от 0,5 до 1,6 МГц и потерю мощности. Градиент поверхности обратно пропорционален радиусу проводника; один провод на фазу должен иметь диаметр не менее 24 мм для 230 кВ и 32 мм для 345 кВ чтобы сохранить градиент ниже порога короны.

Связанные проводники решают эту проблему путем разделения фазного тока между двумя, тремя или четырьмя субпроводниками, разделенными жесткими прокладками с интервалом от 30 до 45 см. Двойной пучок проводников диаметром 28 мм при напряжении 400 кВ обеспечивает эквивалентный диаметр примерно 180 мм с точки зрения распределения электрического поля, уменьшая градиент поверхности примерно в три раза по сравнению с одним проводником с эквивалентной общей площадью поперечного сечения. Расстояние между прокладками выбрано для оптимизации баланса между однородностью электрического поля и механической устойчивостью к подпролетным колебаниям - явлению, при котором наветренный проводник экранирует подветренный, создавая аэродинамическую нестабильность, которая приводит к эллиптическим хлестким движениям.

Выбор изолятора и согласование пути утечки

Воздушный проводник механически поддерживается и электрически изолирован подвесными или натяжными изоляционными нитями. Расстояние утечки изолятора, длина пути вдоль поверхности изолятора от концевого фитинга под напряжением до заземлённого конца, должно быть достаточным для предотвращения короткого замыкания в загрязненных влажных условиях. Удельный путь утечки определяется в миллиметрах пути утечки на кВ междуфазного напряжения системы. Для зон светового загрязнения удельная утечка Достаточно 16 мм/кВ; для тяжелых промышленных или прибрежных солевых туманов, 31 мм/кВ или более Указано, что достигается за счет использования более длинных струн или изоляторов туманного типа с более глубокими юбками.

Композитные полимерные изоляторы с кожухами из силиконовой резины в значительной степени вытеснили фарфоровые и стеклянные струны с колпачками и штырями для нового строительства на напряжение 138 кВ и ниже и получают признание на уровнях сверхвысокого напряжения. Гидрофобная поверхность силиконового каучука заставляет воду скапливаться, а не образовывать сплошную проводящую пленку, подавляя ток утечки за счет от 10 до 100 раз по сравнению с гидрофильной фарфоровой поверхностью при одинаковых условиях загрязнения. Основным видом разрушения композитных изоляторов является хрупкое разрушение стержня из стекловолокна в результате воздействия кислоты или попадания воды при дефектном торцевом уплотнении, механизм, который требует постоянного контроля механической нагрузки и визуального контроля целостности корпуса.

Соединение, тупик и совместимость оборудования

Вся воздушная линия надежна настолько, насколько надежны ее соединения и окончания. Соединения средних пролетов, необходимые для проводов длиной, превышающей стандартную емкость катушек, должны достигать прочности на разрыв не менее 95 % номинальной прочности проводника на разрыв и электрическое сопротивление, не превышающее 75% эквивалентной длины несоединенного проводника. Соединения полного растяжения компрессионного типа, применяемые с помощью шестигранной матрицы и гидравлического пресса с давлением 700 бар (10 000 фунтов на квадратный дюйм), являются отраслевым стандартом. Корпус шарнира представляет собой алюминиевую втулку, которая скользит по алюминиевым жилам, и отдельную стальную втулку, захватывающую стальной сердечник. Две втулки обжимаются независимо; сначала стальная втулка, передающая полное номинальное напряжение через сердечник, затем следует алюминиевая втулка, по которой ток проходит вокруг стального соединения.

Биметаллическая гальваническая коррозия возникает везде, где жилы алюминиевых проводников контактируют с деталями из медного сплава в присутствии электролита. Алюминий, будучи анодным по отношению к меди, подвергается жертвенной коррозии. Все компрессионные разъемы и корпуса зажимов для алюминиевых проводников должны быть изготовлены из алюминиевого сплава или полностью лужены, чтобы предотвратить прямой контакт меди с алюминием. В тупиковых конструкциях подстанции, где алюминиевая воздушная линия переходит в медную шину, биметаллический переходной наконечник, сваренный трением, изолирует два металла, обеспечивая при этом путь тока с низким сопротивлением, рассчитанный на полный ток короткого замыкания линии.