Nadzemný elektrický kábel: Typy, výber a inštalácia

Výber správneho nadzemný elektrický kábel pre prenosovú alebo distribučnú linku vyžaduje vyváženie troch vzájomne závislých premenných: nepretržitá prúdová zaťažiteľnosť, mechanická pevnosť v ťahu a dlhodobé priehyby pri maximálnej prevádzkovej teplote . Pre väčšinu stredne a vysokonapäťových aplikácií zostáva predvolenou voľbou oceľovo vystužený hliníkový vodič (ACSR), pretože galvanizované oceľové jadro nesie približne 55 % až 65 % celkového napätia, zatiaľ čo hliníkové pramene prenášajú prúd, čo je oddelenie funkcií, ktorému sa žiadny homogénny vodič za rovnakú cenu nevyrovná.

Typy vodičov a materiálové zloženie

Nadzemné elektrické káble sú klasifikované podľa materiálov a konfigurácie prameňov vodiča. Na trhu dominujú tri primárne rodiny holých vodičov, z ktorých každá je vhodná pre odlišné dĺžky rozpätia a podmienky prostredia.

ACSR, alebo Aluminium Conductor Steel-Reinforced, pozostáva zo sústredného lankového oceľového jadra obklopeného jednou alebo viacerými vrstvami tvrdo ťahaných hliníkových laniek 1350-H19. Oceľové jadro, dostupné v rôznych stupňoch pevnosti, poskytuje ťahovú kostru, zatiaľ čo hliníkové vrstvy prenášajú prúd s vodivosťou 61,2 % IACS (International Annealed Copper Standard). Typický ACSR vodič "Drake" s 26/7 prameňom a celkovým priemerom 28,14 mm dosahuje menovitú pevnosť v ťahu 140 kN a nepretržitá ampacity približne 907 ampérov pri 75 °C v podmienkach mierneho vetra.

AAAC, vodič z celohliníkovej zliatiny, používa homogénne splietanie drôtov z hliníkovej zliatiny 6201-T81. Táto zliatina obsahuje horčík a kremík, aby sa dosiahla pevnosť v ťahu približne dvojnásobná v porovnaní s elektrickým vodičom hliníka 1350-H19, čím sa eliminuje potreba oceľového jadra. Vodiče AAAC sú špecifikované tam, kde je problémom korózia oceľového jadra, najmä v pobrežnom alebo priemyselnom prostredí s chloridmi alebo zlúčeninami síry vo vzduchu. Neprítomnosť magnetického oceľového jadra tiež eliminuje hysterézu a straty vírivými prúdmi, čím sa približne znižuje AC odpor 3 % až 5 % v porovnaní s ACSR s ekvivalentným priemerom pri rovnakom zaťažovacom prúde.

AAC, celohliníkový vodič vyrobený výhradne z prameňov 1350-H19, ponúka najvyššiu vodivosť na jednotku hmotnosti, ale najnižšiu pevnosť v ťahu. Jeho použitie je obmedzené na krátke rozpätia v mestských rozvodných sieťach a zbernicových rozvodniach v rozvodniach, kde dĺžka rozpätia zriedka presahuje 50 metrov a vodič nemusí odolávať veľkému zaťaženiu ľadom alebo vetrom.

Porovnávací výkon štandardných typov vodičov

Základy prúdového a tepelného hodnotenia

Kapacita nadzemného elektrického kábla nie je fixné číslo, ale funkcia tepelnej bilancie medzi odporovými stratami (vykurovanie I²R), slnečným žiarením absorbovaným povrchom vodiča, konvekčným chladením vetrom a tepelnými stratami sálaním do oblohy. Norma IEEE 738 definuje tepelnú rovnicu v ustálenom stave, ktorá riadi túto rovnováhu. Za najhorších predpokladov plného slnka, nízkej rýchlosti vetra 0,6 m/s a okolitej teploty 40 °C môže byť prúdová kapacita daného vodiča o 25 % až 35 % nižšie ako hodnota publikovaná pre mierne jarné podmienky.

Prevádzková teplota vodiča je nezávislá premenná, ktorá riadi priehyb. Štandardné vodiče ACSR sú dimenzované na nepretržitú prevádzku pri 75 °C, 90 °C alebo 100 °C , s vyššími teplotami povolenými pre podmienky núdzového alebo krátkodobého špičkového zaťaženia. Nad 93°C začnú hliníkové vlákna žíhať, čím sa trvalo znižuje ich pevnosť v ťahu. Vysokoteplotné vodiče s nízkym priehybom (HTLS), ako sú ACSS, G(Z)TACSR a ACCR, používajú plne žíhané hliníkové alebo kompozitné jadrá na nepretržitú prevádzku pri 150 °C až 210 °C , čo zhruba zdvojnásobuje priepustnosť konvenčnej linky ACSR v rámci rovnakého práva jazdy bez potreby vyšších veží.

Výpočet priehybu a nácvik navliekania

Vzťah medzi napätím vodiča a priehybom sa riadi reťazovou rovnicou, ktorá sa pre rozpätia kratšie ako 300 metrov zjednodušuje na parabolickú aproximáciu s prijateľnou chybou. Proces návrhu začína koncepciou vládnuceho rozpätia, váženou priemernou dĺžkou rozpätia, ktorá predstavuje ekvivalentné mechanické správanie celého napínaného úseku medzi slepými konštrukciami. Typické počiatočné napätie bez zaťaženia pri najnižšej teplote výpletu -20 °C alebo 0 °F , musia byť nastavené tak, aby vodič neprekročil 60 % svojej menovitej medze pevnosti pri najťažšej kombinácii zaťaženia ľadom a vetrom špecifikovanej v Národnom kódexe elektrickej bezpečnosti (NESC) pre geografickú oblasť zaťaženia.

Navliekanie nie je len natiahnutie vodiča na cieľové napätie a jeho zovretie. Vodič musí byť napnutý na hodnotu priehybu meranú nasmerovaním cez rozpätie pomocou tranzitného alebo digitálneho sagometra, pričom vodič má známu rovnomernú teplotu. Pre 300-metrové rozpätie ACSR Drake pri 15°C bez vetra alebo ľadu je cieľový priehyb približne 6,5 metra , čo zodpovedá horizontálnemu napätiu asi 17 kN. Po zacvaknutí sa vodič uvoľní usadzovaním prameňa a metalurgickým dotvarovaním, pričom približne stráca 10 % až 15 % počiatočného napätia počas prvých 1 000 hodín prevádzky . Priehyb výpletu musí predvídať toto tečenie zacielením na prepätie 10% až 12%, ktoré sa potom uvoľní do konečného previsu dizajnu.

Eolické vibrácie a tlmenie vodičov

Keď stály laminárny vietor prechádza cez nadzemný kábel rýchlosťou 1 až 7 m/s, vrhá striedavé Kármánove víry, ktoré vyvolávajú cyklickú zdvíhaciu silu kolmú na smer vetra. Táto eolická vibrácia s frekvenciami typicky v rozsahu 3 až 150 Hz núti vodič, aby osciloval na alebo blízko prirodzenej rezonančnej frekvencie jedného z jeho vyšších vibračných režimov. Výsledné ohybové napätie na závesnej svorke vodiča, kde je pohyb úplne obmedzený, presahuje medzu únavy hliníka približne 57 MPa (8,3 ksi) v desiatkach miliónov cyklov, ktoré sa pri ustálených veterných podmienkach nahromadia v priebehu niekoľkých dní.

Zmiernenie používa tlmiče Stockbridge, špirálové tlmiče vibrácií (formálne nazývané tlmiče psích kostí alebo špirálové tlmiče) alebo dištančné tlmiče na združených vodičoch. Správne vyladený tlmič Stockbridge má dve rezonančné frekvencie, ktoré držia dominantnú frekvenciu vodiča a absorbujú vibračnú energiu vnútorným trením prameňov prenosového kábla. Vzdialenosť umiestnenia klapky od svorky nie je ľubovoľná; musí byť umiestnený v bode, kde je amplitúda vibračnej antinódy vodiča dostatočná na vybudenie tlmiča. Pre typické vedenie 132 kV s vodičom ACSR Lynx je umiestnená prvá klapka 0,8 až 1,2 metra od ústia závesnej svorky , s druhým tlmičom na 1,8 metra na rozpätiach presahujúcich 400 metrov.

Riadenie korónového výboja a elektromagnetického poľa

Pri prenosovom napätí 230 kV a viac sa gradient elektrického poľa na povrchu vodiča približuje dielektrickej prieraznej sile vzduchu, približne 30 kV/cm na hladine mora . Keď gradient povrchu za sucha prekročí zhruba 17 kV/cm, spustí sa korónový výboj, ktorý spôsobí počuteľný šum, rádiové rušenie (RI) v pásme 0,5 až 1,6 MHz a stratu výkonu. Gradient povrchu je nepriamo úmerný polomeru vodiča; jeden vodič na fázu musí mať priemer najmenej 24 mm pre 230 kV a 32 mm pre 345 kV aby sa gradient udržal pod korónovým prahom.

Združené vodiče to riešia rozdelením fázového prúdu medzi dva, tri alebo štyri podvodiče oddelené pevnými rozperami v intervaloch 30 až 45 cm. Dvojitý zväzok vodičov s priemerom 28 mm pri 400 kV dosahuje ekvivalentný priemer približne 180 mm z hľadiska distribúcie elektrického poľa, zníženie povrchového gradientu o faktor zhruba tri v porovnaní s jedným vodičom s ekvivalentnou celkovou plochou prierezu. Rozstup medzikusov je zvolený tak, aby optimalizoval rovnováhu medzi rovnomernosťou elektrického poľa a mechanickou stabilitou voči osciláciám v časti rozpätia, čo je jav, pri ktorom veterný vodič tieni záveterný vodič a vytvára aerodynamickú nestabilitu, ktorá poháňa eliptické šľahacie pohyby.

Výber izolátora a koordinácia povrchovej vzdialenosti

Vrchný vodič je mechanicky podopretý a elektricky izolovaný závesnými alebo ťahovými izolačnými šnúrami. Povrchová vzdialenosť izolátora, dĺžka cesty pozdĺž povrchu izolátora od koncovej armatúry pod napätím k uzemnenému koncu, musí byť dostatočná na zabránenie preskoku v kontaminovaných vlhkých podmienkach. Špecifická povrchová vzdialenosť je definovaná v mm povrchovej cesty na kV medzifázového napätia systému. Pre oblasti so svetelným znečistením, špecifické dotvarovanie 16 mm/kV je adekvátnych; pre ťažký priemysel alebo pobrežnú soľnú hmlu, 31 mm/kV alebo viac je špecifikovaný, dosiahnutý použitím dlhších šnúrok alebo izolátorov typu hmly s hlbšími okrajmi.

Kompozitné polymérne izolátory so silikónovými kaučukovými prístreškami do značnej miery nahradili porcelánové a sklenené struny s uzáverom a kolíkom pre novú konštrukciu pri 138 kV a menej a získavajú uznanie na úrovniach EHV. Hydrofóbny povrch silikónového kaučuku spôsobuje tvorbu guľôčok vody a nie súvislý vodivý film, čím sa potláča zvodový prúd. faktor 10 až 100 v porovnaní s hydrofilným porcelánovým povrchom za rovnakých podmienok znečistenia. Primárnym spôsobom zlyhania kompozitných izolátorov je krehké lámanie tyče zo sklenených vlákien v dôsledku napadnutia kyselinou alebo vniknutia vody do chybného tesnenia koncovky, čo je mechanizmus, ktorý vyžaduje nepretržité monitorovanie mechanického zaťaženia a vizuálnu kontrolu integrity krytu.

Spojovacia, slepá a hardvérová kompatibilita

Celé trolejové vedenie je len také spoľahlivé ako jeho spoje a koncovky. Spoje so stredným rozpätím, potrebné pre dĺžky vodičov presahujúce štandardné kapacity cievok, musia dosiahnuť pevnosť v ťahu min. 95 % menovitej pevnosti vodiča a elektrický odpor nepresahujúci 75 % ekvivalentnej dĺžky nespojeného vodiča. Kompresné spoje plného napätia, aplikované pomocou šesťhrannej matrice a hydraulického lisu schopného 700 barov (10 000 psi), sú priemyselným štandardom. Telo kĺbu je hliníkové puzdro, ktoré sa posúva po hliníkových prameňoch, a samostatné oceľové puzdro, ktoré zviera oceľové jadro. Dve objímky sú skrútené nezávisle; najprv oceľová objímka, ktorá prenáša plné menovité napätie cez jadro, nasleduje hliníková objímka, ktorá prenáša prúd okolo oceľového spoja.

Bimetalická galvanická korózia sa vyskytuje všade tam, kde pramene hliníkových vodičov prichádzajú do styku s hardvérom zo zliatiny medi v prítomnosti elektrolytu. Hliník, ktorý je anodický voči medi, obetavo koroduje. Všetky kompresné konektory a telá svoriek pre hliníkový vodič musia byť vyrobené z hliníkovej zliatiny alebo musia byť úplne pocínované, aby sa zabránilo priamemu kontaktu medi s hliníkom. V slepých konštrukciách rozvodne, kde hliníkové nadzemné vedenie prechádza do medenej zbernice, izoluje bimetalový prechodový výstupok zvarený trením tieto dva kovy a zároveň poskytuje nízkoodporovú prúdovú dráhu dimenzovanú na úplný skratový prúd vedenia.