Napowietrzny kabel elektryczny: rodzaje, wybór i instalacja

Wybór prawidłowego napowietrzny kabel elektryczny dla linii przesyłowej lub dystrybucyjnej wymaga zbilansowania trzech współzależnych zmiennych: ciągła obciążalność prądowa, mechaniczna wytrzymałość na rozciąganie i długotrwałe ugięcie w maksymalnej temperaturze roboczej . W większości zastosowań średniego i wysokiego napięcia domyślnym wyborem pozostaje przewód aluminiowy wzmocniony stalą (ACSR), ponieważ rdzeń ze stali ocynkowanej przenosi około 55% do 65% całkowitego napięcia, podczas gdy żyły aluminiowe przenoszą prąd, co stanowi rozdział funkcji, któremu żaden jednorodny przewodnik nie jest w stanie sprostać po porównywalnym koszcie.

Rodzaje przewodników i skład materiału

Napowietrzne kable elektryczne są klasyfikowane według materiałów i konfiguracji splotów przewodnika. Na rynku dominują trzy główne rodziny przewodów gołych, każda dostosowana do różnych długości przęseł i warunków środowiskowych.

ACSR, czyli aluminium Conductor Steel-Reinforced, składa się z koncentrycznego rdzenia stalowego otoczonego jedną lub więcej warstwami ciągnionych na twardo żył aluminiowych 1350-H19. Rdzeń stalowy, dostępny w różnych klasach wytrzymałości, stanowi szkielet rozciągliwy, podczas gdy warstwy aluminium przenoszą prąd o przewodności 61,2% IACS (Międzynarodowa norma dotycząca miedzi wyżarzanej). Typowy przewodnik ACSR „Drake” o splocie 26/7 i całkowitej średnicy 28,14 mm osiąga znamionową wytrzymałość na rozciąganie 140 kN i ciągłą obciążalność prądową około 907 amperów w temperaturze 75°C przy umiarkowanym wietrze.

AAAC, przewodnik wykonany w całości ze stopu aluminium, wykorzystuje jednorodne sploty drutów ze stopu aluminium 6201-T81. Stop ten zawiera magnez i krzem, aby osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie mniej więcej dwukrotnie większą niż aluminium przewodzące prąd elektryczny 1350-H19, eliminując potrzebę stosowania rdzenia stalowego. Przewody AAAC są stosowane tam, gdzie istnieje ryzyko korozji stalowego rdzenia, szczególnie w środowiskach przybrzeżnych lub przemysłowych, w których występują chlorki lub związki siarki unoszące się w powietrzu. Brak magnetycznego rdzenia stalowego eliminuje również histerezę i straty prądu wirowego, zmniejszając rezystancję prądu przemiennego o około 3% do 5% w porównaniu do ACSR o równoważnej średnicy przy tym samym prądzie obciążenia.

AAC, całkowicie aluminiowy przewodnik wykonany w całości ze splotek 1350-H19, zapewnia najwyższą przewodność na jednostkę masy, ale najniższą wytrzymałość na rozciąganie. Jego zastosowanie ogranicza się do krótkich rozpiętości w miejskich sieciach dystrybucyjnych i podstacjach szyn zbiorczych w podstacjach, gdzie długość przęsła rzadko przekracza 50 metrów, a przewód nie musi wytrzymywać dużych obciążeń lodem lub wiatrem.

Porównanie wydajności standardowych typów przewodów

Podstawy obciążalności prądowej i wytrzymałości cieplnej

Obciążalność napowietrznego kabla elektrycznego nie jest stałą liczbą, ale funkcją bilansu cieplnego pomiędzy stratami rezystancyjnymi (ogrzewanie I²R), promieniowaniem słonecznym pochłoniętym przez powierzchnię przewodnika, chłodzeniem konwekcyjnym przez wiatr i radiacyjną utratą ciepła do nieba. Norma IEEE 738 definiuje równanie termiczne stanu ustalonego, które reguluje tę równowagę. W najgorszym przypadku, przy pełnym słońcu, małej prędkości wiatru 0,6 m/s i temperaturze otoczenia 40°C, obciążalność prądowa danego przewodnika może wynosić 25% do 35% mniej niż wartość opublikowana dla umiarkowanych warunków wiosennych.

Temperatura pracy przewodu jest zmienną niezależną kontrolującą ugięcie. Standardowe przewody ACSR są przystosowane do pracy ciągłej w temperaturze 75°C, 90°C lub 100°C , z wyższymi temperaturami dozwolonymi w sytuacjach awaryjnych lub krótkotrwałych warunkach obciążenia szczytowego. Powyżej 93°C pasma aluminium zaczynają się wyżarzać, trwale zmniejszając ich wytrzymałość na rozciąganie. Wysokotemperaturowe przewodniki o niskim zwisie (HTLS), takie jak ACSS, G(Z)TACSR i ACCR, wykorzystują całkowicie wyżarzone rdzenie aluminiowe lub kompozytowe, aby pracować w sposób ciągły w temperaturze 150°C do 210°C , z grubsza podwajając obciążalność konwencjonalnej linii ACSR w tym samym pasie drogowym, bez konieczności stosowania wyższych wież.

Obliczanie naprężenia zwisu i praktyka naciągania

Zależność między naprężeniem przewodu a zwisem reguluje równanie sieci trakcyjnej, które dla rozpiętości krótszych niż 300 metrów upraszcza się do przybliżenia parabolicznego z akceptowalnym błędem. Proces projektowania rozpoczyna się od koncepcji rozpiętości rządzącej, średniej ważonej długości przęsła, która reprezentuje równoważne zachowanie mechaniczne całego odcinka rozciąganego pomiędzy konstrukcjami ślepymi. Zwykle jest to początkowe napięcie bez obciążenia przy najniższej temperaturze naciągania -20°C lub 0°F , należy ustawić tak, aby przewód nie przekraczał 60% jego znamionowej wytrzymałości na zerwanie w przypadku najcięższej kombinacji obciążenia lodem i wiatrem określonej w krajowym kodeksie bezpieczeństwa elektrycznego (NESC) dla geograficznego obszaru obciążenia.

Naciąganie nie polega po prostu na pociągnięciu przewodnika do docelowego napięcia i zaciśnięciu go. Przewód musi być napięty do wartości zwisu mierzonej poprzez pomiar rozpiętości za pomocą sagometru tranzytowego lub cyfrowego, przy przewodzie o znanej, jednolitej temperaturze. Dla rozpiętości 300 metrów ACSR Drake w temperaturze 15°C i bez wiatru i lodu docelowe ugięcie wynosi w przybliżeniu 6,5 metra , odpowiadające naprężeniu poziomemu około 17 kN. Po wpięciu przewodnik rozluźnia się poprzez osiadanie splotek i pełzanie metalurgiczne, tracąc ok 10% do 15% napięcia początkowego w ciągu pierwszych 1000 godzin pracy . Zwis naciągu musi przewidywać to pełzanie, osiągając nadmierne naprężenie od 10% do 12%, które następnie rozluźnia się do projektowego końcowego zwisu.

Eolskie tłumienie drgań i przewodników

Kiedy stały wiatr laminarny przepływa przez kabel napowietrzny z prędkością od 1 do 7 m/s, wytwarza naprzemienne wiry Kármána, które indukują cykliczną siłę nośną prostopadłą do kierunku wiatru. Ta eoliczna wibracja o częstotliwościach typowo z zakresu 3 do 150 Hz , zmusza przewodnik do oscylacji na poziomie lub w pobliżu naturalnej częstotliwości rezonansowej jednego z jego wyższych trybów drgań. Powstałe naprężenie zginające w zacisku zawieszenia przewodu, gdzie ruch jest całkowicie powstrzymany, przekracza granicę wytrzymałości zmęczeniowej aluminium wynoszącą około 57 MPa (8,3 ksi) w ciągu dziesiątek milionów cykli, które kumulują się w ciągu kilku dni przy stałym wietrze.

Do łagodzenia stosuje się tłumiki Stockbridge, spiralne tłumiki drgań (formalnie zwane amortyzatorami typu dog-bone lub elementami tłumiącymi w kształcie spirali) lub tłumiki dystansowe na wiązkach przewodów. Prawidłowo dostrojony tłumik Stockbridge ma dwie częstotliwości rezonansowe, które obejmują dominującą częstotliwość przewodnika i pochłaniają energię wibracyjną poprzez wewnętrzne tarcie żył kabla komunikacyjnego. Odległość umieszczenia amortyzatora od obejmy nie jest dowolna; musi być umieszczony w punkcie, w którym amplituda antywęzła drgań przewodnika jest wystarczająca do wzbudzenia tłumika. Dla typowej linii 132 kV z przewodem ACSR Lynx umieszcza się pierwszy tłumik 0,8 do 1,2 metra od ujścia zacisku zawieszenia , z drugim amortyzatorem na wysokości 1,8 m na przęsłach przekraczających 400 m.

Wyładowania koronowe i zarządzanie polem elektromagnetycznym

Przy napięciach przesyłowych 230 kV i wyższych gradient pola elektrycznego na powierzchni przewodnika zbliża się do wytrzymałości dielektrycznej powietrza na przebicie, w przybliżeniu 30 kV/cm na poziomie morza . Kiedy w suchych warunkach nachylenie powierzchni przekracza około 17 kV/cm, inicjuje się wyładowanie koronowe, powodując słyszalny szum, zakłócenia radiowe (RI) w paśmie od 0,5 do 1,6 MHz i utratę mocy. Nachylenie powierzchni jest odwrotnie proporcjonalne do promienia przewodnika; pojedynczy przewodnik na fazę musi mieć średnicę co najmniej 24 mm dla 230 kV i 32 mm dla 345 kV aby utrzymać gradient poniżej progu korony.

Wiązane przewodniki rozwiązują ten problem, dzieląc prąd fazowy na dwa, trzy lub cztery podprzewodniki oddzielone sztywnymi przekładkami w odstępach od 30 do 45 cm. Podwójna wiązka przewodów o średnicy 28 mm przy napięciu 400 kV pozwala uzyskać równoważną średnicę około 180 mm pod względem rozkładu pola elektrycznego, zmniejszając gradient powierzchni mniej więcej trzykrotnie w porównaniu z pojedynczym przewodnikiem o równoważnym całkowitym polu przekroju poprzecznego. Odstępy dystansowe dobiera się tak, aby zoptymalizować równowagę pomiędzy jednorodnością pola elektrycznego i stabilnością mechaniczną w obliczu oscylacji poniżej rozpiętości, zjawiska, w którym przewód nawietrzny osłania przewód zawietrzny, tworząc niestabilność aerodynamiczną, która napędza eliptyczne ruchy biczowe.

Dobór izolatora i koordynacja drogi upływu

Przewód napowietrzny jest podparty mechanicznie i izolowany elektrycznie za pomocą sznurków izolatorów podwieszanych lub napinających. Droga upływu izolatora, czyli długość ścieżki wzdłuż powierzchni izolatora od końcówki pod napięciem do końca uziemionego, musi być wystarczająca, aby zapobiec przeskokowi w zanieczyszczonych, wilgotnych warunkach. Specyficzna droga upływu jest określona w mm upływu na kV napięcia międzyfazowego systemu. W przypadku obszarów zanieczyszczonych światłem określone pełzanie 16 mm/kV jest wystarczające; do ciężkiej mgły solnej przemysłowej lub przybrzeżnej, 31 mm/kV lub więcej jest określony, osiągany poprzez zastosowanie dłuższych sznurków lub izolatorów mgłowych z głębszymi osłonami.

Kompozytowe izolatory polimerowe z osłonami z gumy silikonowej w dużej mierze wyparły porcelanowe i szklane sznurki z kołpakiem i kołkiem w nowych konstrukcjach przy napięciu 138 kV i niższym i zyskują akceptację na poziomach EHV. Hydrofobowa powierzchnia kauczuku silikonowego powoduje, że woda gromadzi się zamiast tworzyć ciągłą warstwę przewodzącą, tłumiąc prąd upływowy poprzez współczynnik od 10 do 100 w porównaniu z hydrofilową powierzchnią porcelanową w identycznych warunkach zanieczyszczenia. Główną przyczyną awarii izolatorów kompozytowych jest kruche pęknięcie rdzenia z włókna szklanego w wyniku ataku kwasu lub wniknięcia wody do uszkodzonego uszczelnienia końcowego, co jest mechanizmem wymagającym ciągłego monitorowania obciążenia mechanicznego i wizualnej kontroli integralności obudowy.

Łączenie, ślepe zakończenie i kompatybilność sprzętu

Cała linia napowietrzna jest tak niezawodna, jak jej złącza i zakończenia. Złącza średniorozpiętościowe, wymagane w przypadku przewodów o długości przekraczającej standardowe pojemności szpul, muszą osiągać wytrzymałość na rozciąganie co najmniej 95% znamionowej wytrzymałości na zerwanie przewodu oraz opór elektryczny nieprzekraczający 75% równoważnej długości niepołączonego przewodu. Złącza ściskane o pełnym naprężeniu, nakładane za pomocą sześciokątnej matrycy i prasy hydraulicznej o ciśnieniu 700 barów (10 000 psi), są standardem branżowym. Korpus złącza składa się z aluminiowej tulei, która nasuwa się na aluminiowe żyłki oraz oddzielnej stalowej tulei, która chwyta stalowy rdzeń. Obydwa rękawy są kształtowane niezależnie; najpierw tuleja stalowa, przenosząca pełne napięcie znamionowe na rdzeń, a następnie tuleja aluminiowa, która przenosi prąd wokół złącza stalowego.

Bimetaliczna korozja galwaniczna występuje wszędzie tam, gdzie aluminiowe żyły przewodnika stykają się z elementami ze stopu miedzi w obecności elektrolitu. Aluminium, będąc anodowym w stosunku do miedzi, koroduje ofiarnie. Wszystkie złącza zaciskowe i korpusy zacisków do przewodów aluminiowych muszą być wykonane ze stopu aluminium lub całkowicie ocynowane, aby zapobiec bezpośredniemu kontaktowi miedzi z aluminium. W konstrukcjach ślepych podstacji, gdzie aluminiowa linia napowietrzna przechodzi w miedzianą magistralę, bimetaliczny, spawany tarciowo występ przejściowy izoluje oba metale, zapewniając jednocześnie ścieżkę prądową o niskiej rezystancji, przystosowaną do pełnego prądu zwarciowego linii.