Nadzemni električni kabel: Vrste, odabir i ugradnja

Odabir ispravnog nadzemni električni kabel za prijenosnu ili distribucijsku liniju zahtijeva uravnoteženje tri međusobno ovisne varijable: trajni kapacitet nosivosti struje, mehanička vlačna čvrstoća i dugotrajno propadanje pod maksimalnom radnom temperaturom . Za većinu srednjih i visokonaponskih primjena, aluminijski vodič ojačan čelikom (ACSR) ostaje zadani izbor jer jezgra od pocinčanog čelika nosi približno 55% do 65% ukupne napetosti dok aluminijske niti nose struju, što je razdvajanje funkcija koje niti jedan homogeni vodič ne može ispuniti uz jednaku cijenu.

Vrste vodiča i sastav materijala

Nadzemni električni kabeli klasificirani su prema materijalima i konfiguraciji uvojaka vodiča. Tri primarne obitelji golih vodiča dominiraju tržištem, a svaka je prilagođena različitim duljinama raspona i uvjetima okoline.

ACSR ili aluminijski vodič ojačan čelikom sastoji se od koncentrične čelične užetne jezgre okružene jednim ili više slojeva tvrdo izvučenih 1350-H19 aluminijskih užadi. Čelična jezgra, dostupna u različitim stupnjevima čvrstoće, osigurava vlačnu okosnicu, dok aluminijski slojevi prenose struju vodljivosti od 61,2% IACS (Međunarodni standard za žareni bakar). Tipični ACSR "Drake" vodič, s 26/7 upredenjem i ukupnim promjerom od 28,14 mm, postiže nazivnu vlačnu čvrstoću od 140 kN i trajni tok od približno 907 ampera na 75°C pod uvjetima umjerenog vjetra.

AAAC, vodič od aluminijske legure, koristi homogeno upredene žice od aluminijske legure 6201-T81. Ova legura sadrži magnezij i silicij kako bi se postigla vlačna čvrstoća otprilike dvostruko veća od 1350-H19 aluminijskog električnog vodiča, eliminirajući potrebu za čeličnom jezgrom. AAAC vodiči navedeni su tamo gdje je korozija čelične jezgre zabrinjavajuća, osobito u obalnim ili industrijskim okruženjima s kloridima ili sumpornim spojevima u zraku. Nepostojanje magnetske čelične jezgre također eliminira histerezu i gubitke vrtložnih struja, smanjujući AC otpor za približno 3% do 5% u usporedbi s ACSR-om ekvivalentnog promjera pod istom strujom opterećenja.

AAC, potpuno aluminijski vodič izrađen u potpunosti od 1350-H19 niti, nudi najveću vodljivost po jedinici težine, ali najmanju vlačnu čvrstoću. Njegova je upotreba ograničena na kratke raspone u gradskim distribucijskim mrežama i sabirnicama unutar trafostanica, gdje duljina raspona rijetko prelazi 50 metara i gdje se od vodiča ne zahtijeva da izdrži velika opterećenja ledom ili vjetrom.

Usporedna izvedba standardnih vrsta vodiča

Osnove akumulacije i toplinske ocjene

Strujna vrijednost nadzemnog električnog kabela nije fiksni broj već funkcija toplinske ravnoteže između otpornih gubitaka (I²R grijanje), sunčevog zračenja koje apsorbira površina vodiča, konvektivnog hlađenja vjetrom i radijacijskog gubitka topline prema nebu. Standard IEEE 738 definira toplinsku jednadžbu stabilnog stanja koja upravlja ovom ravnotežom. Pod najgorim pretpostavkama punog sunca, niske brzine vjetra od 0,6 m/s i temperature okoline od 40°C, strujna vrijednost danog vodiča može biti 25% do 35% niže od vrijednosti objavljene za umjerene proljetne uvjete.

Radna temperatura vodiča je nezavisna varijabla koja kontrolira progib. Standardni ACSR vodiči su ocijenjeni za kontinuirani rad na 75°C, 90°C ili 100°C , s višim temperaturama dopuštenim za hitne slučajeve ili uvjete kratkotrajnog vršnog opterećenja. Iznad 93°C, aluminijske niti počinju se žariti, trajno smanjujući njihovu vlačnu čvrstoću. Visokotemperaturni vodiči s niskim progibom (HTLS) kao što su ACSS, G(Z)TACSR i ACCR koriste potpuno žarene aluminijske ili kompozitne jezgre za kontinuirani rad na 150°C do 210°C , otprilike udvostručujući jačinu struje od konvencionalne ACSR linije unutar iste skretnice bez potrebe za višim stupovima.

Proračun progiba i naprezanja i vježbanje vezivanja

Odnos između napetosti vodiča i progiba reguliran je jednadžbom kontaktne mreže, koja se za raspone kraće od 300 metara pojednostavljuje na paraboličku aproksimaciju s prihvatljivom pogreškom. Proces projektiranja počinje s vladajućim konceptom raspona, ponderiranom prosječnom duljinom raspona koja predstavlja ekvivalentno mehaničko ponašanje cijelog vlačnog dijela između slijepih konstrukcija. Početna neopterećena napetost pri najnižoj temperaturi vezivanja, obično -20°C ili 0°F , mora biti postavljen tako da vodič ne prelazi 60% svoje nazivne prekidne čvrstoće pod najjačom kombinacijom opterećenja ledom i vjetrom navedenim u Nacionalnom kodeksu električne sigurnosti (NESC) za zemljopisno područje opterećenja.

Nizanje nije jednostavno povlačenje vodiča do ciljane napetosti i njegovo stezanje. Vodič mora biti zategnut do vrijednosti progiba izmjerene promatranjem preko raspona tranzitnim ili digitalnim sagometrom, s vodičem na poznatoj ravnomjernoj temperaturi. Za raspon od 300 metara ACSR Drake na 15°C bez vjetra ili leda, ciljni progib je približno 6,5 metara , što odgovara horizontalnoj napetosti od oko 17 kN. Nakon učvršćivanja, vodič se opušta taloženjem užeta i metalurškim puzanjem, gubeći približno 10% do 15% početne napetosti tijekom prvih 1000 sati rada . Progib žice mora predvidjeti ovo puzanje ciljanjem prekomjerne napetosti od 10% do 12%, koja se zatim opušta do projektiranog konačnog progiba.

Eolske vibracije i prigušivanje vodiča

Kada stalan laminarni vjetar prolazi preko nadzemnog kabela pri brzinama između 1 i 7 m/s, odbacuje izmjenične Kármánove vrtloge koji induciraju cikličku silu uzgona okomito na smjer vjetra. Ova eolska vibracija, s frekvencijama tipično u rasponu od 3 do 150 Hz , tjera vodič da oscilira na ili blizu prirodne rezonantne frekvencije jednog od njegovih viših načina vibracija. Rezultirajuće naprezanje na savijanje na stezaljci za ovjes vodiča, gdje je kretanje potpuno ograničeno, premašuje granicu izdržljivosti aluminija na zamor od približno 57 MPa (8,3 ksi) unutar desetaka milijuna ciklusa, koji se akumuliraju u nekoliko dana tijekom uvjeta stabilnog vjetra.

Ublažavanje koristi Stockbridge prigušivače, spiralne prigušivače vibracija (službeno nazvane prigušivači u obliku pseće kosti ili elementi prigušivača spiralnog oblika) ili prigušivače odstojnika na snopovima vodiča. Ispravno podešen Stockbridge prigušivač ima dvije rezonantne frekvencije koje hvataju dominantnu frekvenciju vodiča, upijajući vibracijsku energiju kroz unutarnje trenje njegovih užadi prijenosnog kabela. Udaljenost prigušivača od stezaljke nije proizvoljna; mora biti postavljen na točku gdje je amplituda antinode vibracije vodiča dovoljna da pobudi prigušnicu. Za tipični vod od 132 kV s ACSR Lynx vodičem postavlja se prva prigušnica 0,8 do 1,2 metra od otvora stezaljke ovjesa , s drugom prigušnicom na 1,8 metara na rasponima većim od 400 metara.

Koronsko pražnjenje i upravljanje elektromagnetskim poljem

Na prijenosnim naponima od 230 kV i više, gradijent električnog polja na površini vodiča približava se probojnoj čvrstoći dielektrika zraka, približno 30 kV/cm na razini mora . Kada površinski gradijent prijeđe otprilike 17 kV/cm u suhim uvjetima, započinje koronsko pražnjenje, stvarajući zvučnu buku, radio smetnje (RI) u pojasu od 0,5 do 1,6 MHz i gubitak snage. Gradijent površine je obrnuto proporcionalan polumjeru vodiča; jedan vodič po fazi mora imati promjer od najmanje 24 mm za 230 kV i 32 mm za 345 kV kako bi gradijent bio ispod praga korone.

Uvezani vodiči to rješavaju dijeljenjem fazne struje na dva, tri ili četiri podvodiča odvojena krutim odstojnicima u intervalima od 30 do 45 cm. Dvostruki snop vodiča promjera 28 mm na 400 kV postiže ekvivalentni promjer od približno 180 mm u smislu distribucije električnog polja, smanjujući gradijent površine za faktor otprilike tri u usporedbi s jednim vodičem ekvivalentne ukupne površine poprečnog presjeka. Razmak između razmaka je odabran kako bi se optimizirala ravnoteža između jednolikosti električnog polja i mehaničke stabilnosti u odnosu na oscilacije ispod raspona, fenomena u kojem vodič usmjeren prema vjetru štiti onaj u zavjetrini, stvarajući aerodinamičku nestabilnost koja pokreće eliptična vrteća gibanja.

Izbor izolatora i koordinacija puzne staze

Zračni vodič je mehanički poduprt i električno izoliran ovjesnim ili zateznim izolacijskim žicama. Puzna staza izolatora, duljina puta duž površine izolatora od naponskog krajnjeg spoja do uzemljenog kraja, mora biti dovoljna da spriječi preskok u kontaminiranim vlažnim uvjetima. Specifična puzna staza definirana je u mm puzne staze po kV međufaznog napona sustava. Za područja svjetlosnog onečišćenja, određena puzna staza od 16 mm/kV je dovoljno; za teške industrijske ili obalne raspršene soli, 31 mm/kV ili više naveden, postiže se upotrebom duljih žica ili izolatora u obliku magle s dubljim rubovima.

Kompozitni polimerni izolatori s pregradama od silikonske gume uvelike su istisnuli porculanske i staklene kape i igle za nove konstrukcije na 138 kV i niže, a sve su prihvaćeniji na EHV razinama. Hidrofobna površina silikonske gume uzrokuje nakupljanje vode umjesto stvaranja kontinuiranog vodljivog filma, potiskujući struju curenja faktor od 10 do 100 u usporedbi s hidrofilnom porculanskom površinom pod identičnim uvjetima kontaminacije. Primarni način kvara kompozitnih izolatora je krti lom šipke jezgre od stakloplastike uslijed napada kiseline ili ulaska vode na neispravnu brtvu na kraju spoja, mehanizam koji zahtijeva kontinuirano praćenje mehaničkog opterećenja i vizualni pregled cjelovitosti kućišta.

Spajanje, mrtvi kraj i kompatibilnost hardvera

Cijeli nadzemni vod pouzdan je onoliko koliko su pouzdani njegovi spojevi i završeci. Spojevi srednjeg raspona, potrebni za duljine vodiča veće od standardnih kapaciteta kotura, moraju postići vlačnu čvrstoću od najmanje 95% nazivne prekidne čvrstoće vodiča i električni otpor koji ne prelazi 75% ekvivalentne duljine nespojenog vodiča. Spojevi kompresionog tipa s punim zatezanjem, primijenjeni sa šesterokutnom matricom i hidrauličnom prešom koja može doprinijeti 700 bara (10.000 psi), industrijski su standard. Tijelo zgloba je aluminijska čahura koja klizi preko aluminijskih niti i zasebna čelična čahura koja zahvaća čeličnu jezgru. Dva rukavca se savijaju neovisno; prvi čelični rukavac, prenoseći punu nazivnu napetost preko jezgre, a zatim slijedi aluminijski rukavac, koji nosi struju oko čeličnog spoja.

Bimetalna galvanska korozija javlja se gdje god žice aluminijskog vodiča dođu u kontakt s hardverom od legure bakra u prisutnosti elektrolita. Aluminij, budući da je anodan prema bakru, žrtvuje korodiju. Svi kompresijski konektori i stezna tijela za aluminijske vodiče moraju biti izrađeni od aluminijske legure ili potpuno pokositreni kako bi se spriječio izravan kontakt bakra i aluminija. U slijepim ulicama trafostanica gdje aluminijski nadzemni vodovi prelaze u bakrene sabirnice, bimetalna prijelazna ušica zavarena trenjem izolira dva metala dok pruža strujni put niskog otpora ocijenjen za punu struju kratkog spoja voda.