Избор на проводници за електропроводни линии

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 5/2018 • 19.07.2018

Избор на проводници за електропроводни линии
Избор на проводници за електропроводни линии

От началото на търговията с електроенергия досега в индустрията за комунални услуги са настъпили забележителни промени. Една област, която е претърпяла съществени промени, са предлаганите за пренос и разпространение видове проводници. Медта е първият метал, използван за пренос на електричество по време на развитието на електроенергийната индустрия в началото на 80-те години на XIX век.

Прегледът на критериите за избор на проводници за пренос и разпределение преди широкото използване на алуминий предполага, че размерите на медните проводници са се определяли основно на базата на механични съображения поради непропорционално високата проводимост на медта, отнесена към нейната якост. Следователно в повечето случаи проводниците са били по-големи от необходимото от гледна точка на ефективната електрическа проводимост. Поради теглото разстоянията от стълб до стълб са били малки, като по този начин са се увеличавали общите разходи за преносните линии.

Малко преди началото на миналия век алуминият започва да измества медта като предпочитан метал за проводници за пренос и разпределение. От 1895 г. употребата на алуминиеви електрически проводници постоянно се увеличава и в момента алуминият е материалът, избиран от инженерите за проектиране на преносни линии. В продължение на повече от 90 години алуминият е използван в електрическите съоръжения за пренос и разпределение на електроенергия. Той почти изцяло измества медта при надземни приложения. От всички известни неблагородни метали, по проводимост алуминият е на второ място и отстъпва само на медта. Той притежава съотношение на проводимост към тегло два пъти по-голямо от това на медта, а съотношението на якост към тегло е с 30% по-високо.

Когато алуминиевите проводници навлизат в относително широка употреба в началото на XX век, става явна необходимостта от проводник с по-голямо съотношение на якост към тегло. Така през 1907 г. е въведен нов композитен кабел от алуминий и стомана. Този нов проводник съчетава ниското тегло и високия капацитет на токова проводимост на алуминия с високата якост на галванизираната стоманена сърцевина. ACSR, както става известен този стоманено подсилен алуминиев кабел, печели бързо популярност и се използва почти без изключения в целия свят до 1939 г. Отличната проводимост на ACSR, съчетана с много доброто съотношение на здравина към тегло и лекотата на боравене с него, го правят доминиращ проводник за електрификация на селски райони.

През 1939 г. се появява нов кабел от сплав на алуминий, магнезий и силиций. Той е разработен така, че да запазва механичните и електрически свойства на ACSR, като същевременно подобрява тегловните му характеристики и корозионната устойчивост. Появата на кабел изцяло от алуминиева сплав, последващото развитие на композитния алуминиев проводник и подсиления кабел от алуминиева сплав осигуряват нови алтернативи на ACSR. Както при повечето нови продукти, особено в такива критични приложения като преноса и разпределението на електроенергия, възприемането на нов проводник от сплав е бавно. През последните години обаче постигнатите подобрения на проводниците, съставени от сплави, спрямо ACSR водят до нарастваща тенденция за използване на кабели от алуминиеви сплави и композитни кабели от чист алуминий и алуминиева сплав.

Напоследък се работи по много иновативни дизайни на проводници, за да се отговори на променящите се нужди на индустрията за електроснабдяване. Разработени са нови сплави, осигуряващи термична стабилност, повишена проводимост, устойчивост на вибрации и други специфични характеристики.

Конструктивната и технологична разработка на проводници и подборът на такива за линии за пренос и разпределение са се превърнали в наука. Изборът на оптималния тип и размер на проводника за дадена конструкция на преносната или разпределителната мрежа изисква пълно разбиране на характеристиките на всички налични видове проводници. Освен капацитета за пренос на ток или топлинната характеристика на проводниците, това разбиране трябва да обхваща много повече свойства. То трябва да включва системен подход за избор на проводници: стабилност на линията спрямо текущото натоварване; икономична експлоатация спрямо топлинно натоварване; деформация на проводника и последващо провисване при висока температура и неблагоприятно механично натоварване; якостта на проводника, определена от характеристиките на реакция на напрежения на компонентите и характеристиките на умората на метала. Това са само някои от проектните параметри на системата, които трябва да бъдат оценени.

Не съществува уникален процес, чрез който да се проектират всички линии за пренос и/или разпределение. Ясно е обаче, че всички основни разходни компоненти при проектиране на линията зависят от електрическите и механичните характеристики на проводника. Има четири основни вида проводници за въздушни преносни и разпределителни линии: изцяло алуминиеви (AAC); изцяло от алуминиева сплав (AAAC); алуминиев проводник със стоманена армировка (ACSR); алуминиев проводник, подсилен с алуминиева сплав (ACAR).

Еднокомпонентни проводници
Поради относително малкото съотношение на механична якост към тегло, както и високата си чувствителност към вибрации, изцяло алуминиевите проводници се използват предимно в разпределителни мрежи и подстанции, където се изисква висока проводимост и дължините на окачване са сравнително малки. Високата им корозионна устойчивост ги прави незаменими за преносните линии в крайбрежни райони.

В зависимост от диаметъра на отделните снопове номиналната якост на скъсване за един и същ дизайн на кабел е с 55-84% по-висока за проводниците само от алуминиева сплав, отколкото за тези от чист алуминий, докато в същото време капацитетът за пренос на ток в установен режим достига до 95% от стойността на изцяло алуминиевите проводници. Те намират широко приложение поради техните високи механична якост и проводимост в сравнение с композитните проводници със същия диаметър. По-високият им коефициент на топлинно разширение, както и ниското им тегло в сравнение с изцяло алуминиевите проводници, са недостатъци по отношение устойчивостта на вибрации вследствие на вятър.

Номиналната якост на скъсване на алуминиевите кабели със стоманена сърцевина е приблизително 7,5 пъти по-висока от тази на изцяло алуминиевите проводници със същия размер. Те са особено подходящи за земна инсталация, както и за дължини на окачване от 2000 м и повече, но при използване на специални конструкции с по-големи напречни сечения и по-голям брой снопове.

Днес, медни, медносплавни и стоманени проводници се прилагат само в случаите, когато е необходима висока устойчивост на корозия (мед и бронз), за земни инсталации или в случаите, когато се очакват необичайно високи натоварвания в въздушните линии. Тук стоманените проводници могат да бъдат алтернативно решение.

Композитни проводници
Композитните проводници са съставени от снопове, изработени от различни видове метали. Те обикновено се състоят от стоманена сърцевина и едно- или многопластова обвивка от алуминий или алуминиева сплав. Съществуват обаче и дизайни, в които стоманените и алуминиевите снопове се смесват в отделните слоеве в проводника.
Композитните проводници осигуряват някои предимства, които допринасят за широкото им използване. Съставът им позволява висока проводимост чрез подходящ избор на сечението на проводимата обвивка, комбинирана с високата механична якост на стоманената сърцевина, обвита в алуминий или алуминиева сплав. Високата якост позволява да се ограничи степента на провисване и да се постигнат големи разстояния между окачванията. По този начин композитните проводници са подходящи за въздушни линии, преминаващи над широки реки или долини. Здравината може да се адаптира към всяко приложение чрез изменяне на компонентите на сърцевината или на нейната механична якост. Алуминиевата сплав, използвана като проводящ материал, увеличава якостта на скъсване в сравнение с чистия алуминий, без да причинява значително намаляване на общата проводимост на проводника.

Многослойната алуминиева обвивка на композитните проводници предпазва поцинкованите стоманени снопове от корозия, когато стоманените сърцевини са гресирани (в Централна Европа практиката на гресиране се прилага). Въпреки това, особено в райони с горещ климат, гресите могат да се стопят и да паднат от проводника, като по този начин предизвикат коронни разряди, поради което трябва да се обърне внимание на достатъчно високата точка на топене на гресите (над 80°С) и високия им вискозитет. Композитните проводници с облицовано с алуминий ядро съчетават висока проводимост с отлична устойчивост на корозия и следователно не се нуждаят от гресиране.

Композитните проводници дългосрочно показват превъзходни характеристики при предизвикани от вятъра вибрации. При постоянно натоварване на опън алуминиевият проводник непрекъснато се удължава – явление, наречено пълзене. В композитните проводници стоманата пълзи в много по-ниска степен от алуминия. С течение на времето натоварването на опън на алуминиевите проводници намалява, докато това на стоманените проводници се увеличава. Това води до по-висока устойчивост срещу изменящи се натоварвания на огъване, причинени от вибрациите вследствие на вятър. Това изместване на натоварването не е възможно при монометални кабели и кабели изцяло от алуминий или алуминиеви сплави. Ето защо тези проводници са силно податливи на проблеми, свързани с умората на материалите.

Устойчиви на вибрации проводници
Виброустойчивите (vibration resistant, VR) проводници са предназначени за използване в зони, в които линиите са подложени на вибрации от вятъра и заледявания. Те се състоят от два еднакви проводника, усукани спираловидно под формата на осмица. Тази спираловидна форма нарушава силите, създадени от страничните ветрове, като диаметърът на проводника непрекъснато се изменя спрямо ветровите условия. По този начин вибрациите на проводниците вследствие на турбулентен вятър се предотвратяват. Тази уникална спирална форма, заедно с по-малката якост на усукване и променливата якост на огъване, също намалява или елиминира вертикалното движение на проводника, предизвиквано от комбинираните натоварвания от лед и вятър.

Самодемпфериращият се (self damping, SD) проводник представлява концентрично усукан проводник, предназначен за контролиране на вибрациите на въздушните преносни линии чрез вътрешно демпфериране. Самодемпфериращите се проводници се състоят от централно ядро от едно или повече кръгли стоманени жила, заобиколени от два слоя трапецовидни профили от алуминий. Ако се налага, могат да се добавят един или повече слоя от алуминиеви снопове.

Самодемпфериращите се кабели се различават от конвенционалните ACSR, тъй като алуминиевите проводници в първите два слоя са с трапецовидна форма и са оразмерени така, че всеки алуминиев слой да образува усукана тръба, която при напрежение не се допира до слоя под нея, а поддържа малка пръстеновидна междина между пластовете. Слоевете от трапецовидни снопове са разделени един от друг и оформят стоманената сърцевина чрез двете по-малки пръстеновидни междини, които позволяват движение между пластовете. Кръговите слоеве от алуминиеви снопове са в близък контакт помежду си, както и с трапецовидния проводников слой.

Свързани проводници
Кабел, аранжиран от два или повече успоредно свързани проводника, разделени от малко разстояние между тях, често се използва при преносни линии високо и свръхвисоко напрежение. Свързаните проводници предлагат редица ползи. От гледна точка на плътността на тока на единица площ по-малките проводници имат по-висока възможна плътност на тока, което води до по-висока ефективност на метала. Използването на множество проводници на една фаза със същата обща площ като единичен проводник е подходящо при по-ниски температури, като това води до по-ниски съпротивления и загуби при равни натоварвания.

Множеството проводници предлагат значителни подобрения в реактивното съпротивление на един кабел за еднаква площ. Индуктивните съпротивления на двупроводников свързан кабел са само около 50% от съпротивлението за единичен проводник, имащ еквивалентна площ на напречното сечение. Ясно е, че колкото по-голямо е разстоянието между проводниците, толкова по-ниско е реактивното съпротивление.

Макар и важни, електрическите предимства на свързаните проводници може да не са най-значимият фактор, влияещ върху степента на тяхното приложение. Поради съображения, свързани с коронен разряд и радиошум, използването на свързани проводници може да е препоръчително, тъй като загубите от корона ефекта са функция от градиента на напрежението по повърхността на проводниците.

Броят и размерите на проводниците на една фаза не са стандартизирани и зависят от много фактори. Днес проводниковите снопове са стандартна практика при проектиране на преносни линии, предназначени за работа на 345 kV или повече.

Top