Nadzemní elektrický kabel: Typy, výběr a instalace

Výběr správného nadzemní elektrický kabel pro přenosovou nebo distribuční linku vyžaduje vyvážení tří vzájemně závislých proměnných: trvalá proudová zatížitelnost, mechanická pevnost v tahu a dlouhodobé prověšování při maximální provozní teplotě . Pro většinu středně a vysokonapěťových aplikací zůstává ocelí vyztužený hliníkový vodič (ACSR) výchozí volbou, protože galvanizované ocelové jádro přenáší přibližně 55 % až 65 % celkového napětí, zatímco hliníkové prameny přenášejí proud, což je oddělení funkcí, kterému se žádný homogenní vodič za stejnou cenu nevyrovná.

Typy vodičů a materiálové složení

Nadzemní elektrické kabely jsou klasifikovány podle materiálů a konfigurace pramenů vodiče. Na trhu dominují tři primární rodiny holých vodičů, z nichž každá je vhodná pro různé délky rozpětí a podmínky prostředí.

ACSR neboli Aluminium Conductor Steel-Reinforced se skládá ze soustředného lankového ocelového jádra obklopeného jednou nebo více vrstvami tvrdě tažených hliníkových lanek 1350-H19. Ocelové jádro, dostupné v různých pevnostních třídách, poskytuje tahovou páteř, zatímco hliníkové vrstvy přenášejí proud s vodivostí 61,2 % IACS (Mezinárodní standard žíhané mědi). Typický ACSR vodič "Drake" s pramenem 26/7 a celkovým průměrem 28,14 mm dosahuje jmenovité pevnosti v tahu 140 kN a nepřetržitý proud přibližně 907 ampér při 75 °C za mírných větrných podmínek.

AAAC, vodič z celohliníkové slitiny, používá homogenní splétání drátů z hliníkové slitiny 6201-T81. Tato slitina obsahuje hořčík a křemík pro dosažení pevnosti v tahu zhruba dvojnásobné oproti elektrickému vodiči hliníku 1350-H19, čímž se eliminuje potřeba ocelového jádra. Vodiče AAAC jsou určeny tam, kde je problémem koroze ocelového jádra, zejména v pobřežních nebo průmyslových prostředích s chloridy nebo sloučeninami síry ve vzduchu. Absence magnetického ocelového jádra také eliminuje hysterezi a ztráty vířivými proudy, čímž se přibližně sníží střídavý odpor 3 % až 5 % ve srovnání s ACSR s ekvivalentním průměrem pod stejným zatěžovacím proudem.

AAC, celohliníkový vodič vyrobený výhradně z pramenů 1350-H19, nabízí nejvyšší vodivost na jednotku hmotnosti, ale nejnižší pevnost v tahu. Jeho použití je omezeno na krátká rozpětí v městských rozvodných sítích a sběrnicích v rozvodnách, kde délka rozpětí zřídka přesahuje 50 metrů a vodič nemusí vydržet vysoké zatížení ledem nebo větrem.

Srovnávací výkon standardních typů vodičů

Základy kapacitního a tepelného hodnocení

Zatížitelnost nadzemního elektrického kabelu není pevné číslo, ale funkce tepelné bilance mezi odporovými ztrátami (I²R ohřev), slunečním zářením absorbovaným povrchem vodiče, konvekčním chlazením větrem a radiačními tepelnými ztrátami do nebe. Norma IEEE 738 definuje teplotní rovnici v ustáleném stavu, která řídí tuto rovnováhu. Za nejhorších předpokladů plného slunce, nízké rychlosti větru 0,6 m/s a okolní teploty 40 °C může být proudová kapacita daného vodiče o 25 % až 35 % nižší než hodnota publikovaná pro mírné jarní podmínky.

Provozní teplota vodiče je nezávislá proměnná, která řídí průhyb. Standardní vodiče ACSR jsou dimenzovány pro nepřetržitý provoz při 75 °C, 90 °C nebo 100 °C s vyššími teplotami povolenými pro podmínky nouzového nebo krátkodobého špičkového zatížení. Nad 93°C začnou hliníkové prameny žíhat, čímž se trvale snižuje jejich pevnost v tahu. Vysokoteplotní vodiče s nízkým průhybem (HTLS), jako jsou ACSS, G(Z)TACSR a ACCR, používají plně žíhaná hliníková nebo kompozitní jádra pro nepřetržitý provoz při 150 °C až 210 °C , což zhruba zdvojnásobuje propustnost konvenční linky ACSR v rámci stejné přednosti bez nutnosti vyšších věží.

Výpočet průhybu a procvičování výpletu

Vztah mezi napětím vodiče a průhybem se řídí rovnicí trolejového vedení, která se pro rozpětí kratší než 300 metrů zjednodušuje na parabolickou aproximaci s přijatelnou chybou. Proces návrhu začíná konceptem řídícího rozpětí, váženou průměrnou délkou rozpětí, která představuje ekvivalentní mechanické chování celého tahového úseku mezi slepými konstrukcemi. Typicky počáteční napětí bez zatížení při nejnižší teplotě výpletu -20 °C nebo 0 °F , musí být nastaven tak, aby vodič nepřekročil 60 % své jmenovité meze pevnosti při nejnáročnějším zatížení ledem a větrem specifikované národním předpisem o elektrické bezpečnosti (NESC) pro geografickou oblast zatížení.

Navlékání není pouhé přitažení vodiče k cílovému napětí a jeho sevření. Vodič musí být napnut na hodnotu průvěsu měřenou pohledem přes rozpětí pomocí tranzitního nebo digitálního sagometru, přičemž vodič má známou rovnoměrnou teplotu. Pro rozpětí 300 metrů ACSR Drake při 15 °C bez větru nebo ledu je cílový průhyb přibližně 6,5 metru , což odpovídá vodorovnému napětí asi 17 kN. Po zacvaknutí se vodič uvolní usazováním pramene a metalurgickým tečením, přičemž přibližně ztrácí 10 % až 15 % počátečního napětí během prvních 1 000 hodin provozu . Prověšení výpletu musí předvídat toto tečení tím, že se zaměří na přepětí o 10 % až 12 %, které se pak uvolní do konečného prověšení designu.

Eolické vibrace a tlumení vodičů

Když stálý laminární vítr prochází přes nadzemní kabel rychlostí mezi 1 a 7 m/s, vrhá střídavé Kármánovy víry, které indukují cyklickou vztlakovou sílu kolmou ke směru větru. Tato eolická vibrace s frekvencemi typicky v rozsahu 3 až 150 Hz nutí vodič oscilovat na nebo blízko přirozené rezonanční frekvence jednoho z jeho vyšších vibračních režimů. Výsledné ohybové napětí na závěsné svorce vodiče, kde je pohyb zcela omezen, přesahuje mez únavy hliníku přibližně 57 MPa (8,3 ksi) v rámci desítek milionů cyklů, které se za stálých větrných podmínek nashromáždí v řádu dnů.

Zmírnění využívá tlumiče Stockbridge, spirálové tlumiče vibrací (formálně nazývané tlumiče psí kosti nebo spirálové tlumicí prvky) nebo rozpěrné tlumiče na svazcích vodičů. Správně vyladěný tlumič Stockbridge má dvě rezonanční frekvence, které drží frekvenci dominantního vodiče a pohlcují vibrační energii vnitřním třením pramenů jeho přenosového kabelu. Vzdálenost umístění klapky od svorky není libovolná; musí být umístěn v bodě, kde je amplituda vibrační antinody vodiče dostatečná k vybuzení tlumiče. Pro typické vedení 132 kV s vodičem ACSR Lynx je umístěna první klapka 0,8 až 1,2 metru od ústí závěsné svorky , s druhým tlumičem na 1,8 metru na rozpětích přesahujících 400 metrů.

Řízení koronového výboje a elektromagnetického pole

Při přenosových napětích 230 kV a více se gradient elektrického pole na povrchu vodiče blíží dielektrické průrazné síle vzduchu, přibližně 30 kV/cm na hladině moře . Když gradient povrchu za sucha překročí zhruba 17 kV/cm, iniciuje se korónový výboj, který způsobí slyšitelný šum, rádiové rušení (RI) v pásmu 0,5 až 1,6 MHz a ztrátu výkonu. Gradient povrchu je nepřímo úměrný poloměru vodiče; jeden vodič na fázi musí mít průměr nejméně 24 mm pro 230 kV a 32 mm pro 345 kV aby se gradient udržel pod korónovým prahem.

Sdružené vodiče to řeší rozdělením fázového proudu mezi dva, tři nebo čtyři dílčí vodiče oddělené pevnými distančními vložkami v intervalech 30 až 45 cm. Dvojitý svazek vodičů o průměru 28 mm při 400 kV dosahuje ekvivalentního průměru přibližně 180 mm pokud jde o distribuci elektrického pole, snížení povrchového gradientu o faktor zhruba tři ve srovnání s jedním vodičem o ekvivalentní celkové ploše průřezu. Rozteč distančních vložek je zvolena tak, aby optimalizovala rovnováhu mezi rovnoměrností elektrického pole a mechanickou stabilitou vůči oscilacím v dílčím rozpětí, což je jev, kdy návětrný vodič stíní ten závětrný a vytváří aerodynamickou nestabilitu, která pohání eliptické švihové pohyby.

Výběr izolantu a koordinace povrchové vzdálenosti

Horní vodič je mechanicky podepřen a elektricky izolován závěsnými nebo tahovými izolátory. Povrchová vzdálenost izolátoru, délka cesty podél povrchu izolátoru od koncové armatury pod napětím k uzemněnému konci, musí být dostatečná, aby se zabránilo přeskoku v kontaminovaných vlhkých podmínkách. Specifická povrchová dráha je definována v mm povrchové cesty na kV sdruženého napětí systému. Pro oblasti se světelným znečištěním specifické dotvarování 16 mm/kV je adekvátní; pro těžký průmysl nebo pobřežní solnou mlhu, 31 mm/kV nebo více je specifikováno, dosažené použitím delších šňůrek nebo izolátorů typu mlhy s hlubšími sukněmi.

Kompozitní polymerní izolátory s přístřešky ze silikonové pryže do značné míry nahradily porcelánové a skleněné struny pro nové konstrukce při 138 kV a méně a získávají uznání na úrovních EHV. Hydrofobní povrch silikonového kaučuku způsobuje, že se voda tvoří spíše než souvislý vodivý film, čímž se potlačuje svodový proud. faktor 10 až 100 ve srovnání s povrchem hydrofilního porcelánu za stejných podmínek znečištění. Primárním způsobem selhání kompozitních izolátorů je křehký lom sklolaminátové jádrové tyče v důsledku působení kyseliny nebo vniknutí vody do vadného těsnění koncovky, což je mechanismus, který vyžaduje nepřetržité monitorování mechanického zatížení a vizuální kontrolu integrity pouzdra.

Spojování, slepé zakončení a kompatibilita hardwaru

Celé trolejové vedení je jen tak spolehlivé jako jeho spoje a zakončení. Spoje se středním rozpětím, požadované pro délky vodičů přesahující standardní kapacity navijáku, musí dosahovat pevnosti v tahu min. 95 % jmenovité meze pevnosti vodiče a elektrický odpor nepřesahující 75 % ekvivalentní délky nespojeného vodiče. Plně tažené spoje kompresního typu, aplikované pomocí šestihranné matrice a hydraulického lisu schopného 700 barů (10 000 psi), jsou průmyslovým standardem. Tělo kloubu je hliníkové pouzdro, které se nasouvá přes hliníkové prameny, a samostatné ocelové pouzdro, které svírá ocelové jádro. Dvě objímky jsou nalisovány nezávisle; nejprve ocelová objímka, přenášející plné jmenovité napětí přes jádro, následovaná hliníkovou objímkou, která přenáší proud kolem ocelového spoje.

Bimetalická galvanická koroze se vyskytuje všude tam, kde prameny hliníkových vodičů přicházejí do styku s hardwarem ze slitiny mědi v přítomnosti elektrolytu. Hliník, který je vůči mědi anodický, obětavě koroduje. Všechny kompresní konektory a tělesa svorek pro hliníkový vodič musí být vyrobeny z hliníkové slitiny nebo plně pocínované, aby se zabránilo přímému kontaktu mědi s hliníkem. Ve slepých konstrukcích rozvoden, kde hliníkové nadzemní vedení přechází na měděnou sběrnici, izoluje bimetalové přechodové oko svařené třením oba kovy a zároveň poskytuje nízkoodporovou proudovou dráhu dimenzovanou na plný zkratový proud vedení.