Felső elektromos kábel: típusok, kiválasztás és telepítés

A megfelelő kiválasztása felső elektromos kábel egy átviteli vagy elosztóvezeték esetében három egymástól függő változó kiegyensúlyozása szükséges: Folyamatos áramhordozó képesség, mechanikai szakítószilárdság és hosszú távú megereszkedés maximális üzemi hőmérséklet mellett . A legtöbb közép- és nagyfeszültségű alkalmazásnál az acéllal megerősített alumínium vezető (ACSR) marad az alapértelmezett választás, mivel a horganyzott acél mag a teljes feszültség körülbelül 55-65%-át hordozza, míg az alumínium szálak hordozzák az áramot, ami olyan funkciók szétválasztása, amelyeket egyetlen homogén vezető sem tud azonos költséggel teljesíteni.

Vezetőtípusok és anyagösszetétel

A felső elektromos kábelek osztályozása a vezető anyaga és sodrási konfigurációja szerint történik. A három elsődleges csupasz vezetékcsalád uralja a piacot, mindegyik eltérő fesztávhoz és környezeti feltételekhez igazodik.

Az ACSR vagy alumíniumvezető acél erősítésű, egy koncentrikus sodrott acélmagból áll, amelyet egy vagy több réteg keményen húzott 1350-H19 alumínium szál vesz körül. A különböző szilárdsági fokozatokban kapható acél mag biztosítja a szakító gerincet, míg az alumínium rétegek vezetik az áramot 61,2% IIER (Nemzetközi lágyított réz szabvány). Egy tipikus ACSR "Drake" vezeték, 26/7 sodrással és 28,14 mm teljes átmérővel, névleges szakítószilárdságot ér el. 140 kN és a folyamatos ampera kb. 907 amper 75°C-on mérsékelt szélviszonyok között.

Az AAAC, a teljesen alumíniumötvözet vezető, 6201-T81 alumíniumötvözet huzalok homogén sodrását használja. Ez az ötvözet magnéziumot és szilíciumot tartalmaz, így a szakítószilárdsága nagyjából kétszerese az 1350-H19 elektromos vezető alumíniuménak, így nincs szükség acélmagra. Az AAAC vezetékeket ott írják elő, ahol az acélmag korróziója aggodalomra ad okot, különösen tengerparti vagy ipari környezetben, ahol a levegőben kloridok vagy kénvegyületek találhatók. A mágneses acélmag hiánya kiküszöböli a hiszterézist és az örvényáram-veszteségeket is, így az AC ellenállás kb. 3-5% az egyenértékű átmérőjű ACSR-hez képest azonos terhelőáram mellett.

Az AAC, a teljes egészében 1350-H19 szálakból készült alumínium vezető a legnagyobb tömegegységre vetített vezetőképességet, de a legkisebb szakítószilárdságot kínálja. Alkalmazása a városi elosztóhálózatokban és az alállomásokon belüli gyűjtősín-ledobókban csak a rövid fesztávokra korlátozódik, ahol a fesztáv ritkán haladja meg az 50 métert, és a vezetőnek nem kell nagy jég- vagy szélterhelést elviselnie.

Szabványos vezetéktípusok összehasonlító teljesítménye

Tűrőképesség és termikus besorolás alapjai

A felső elektromos kábel áteresztőképessége nem fix szám, hanem az ellenállási veszteségek (I²R fűtés), a vezető felülete által elnyelt napsugárzás, a szél konvektív hűtése és az égbolt sugárzási hővesztesége közötti hőegyensúly függvénye. Az IEEE 738 szabvány meghatározza az egyensúlyt szabályozó állandósult állapotú termikus egyenletet. A legrosszabb esetben teljes napsütés, 0,6 m/s-os alacsony szélsebesség és 40 °C környezeti hőmérséklet esetén egy adott vezető ampere csökkenhet. 25-35%-kal alacsonyabb mint a mérsékelt tavaszi viszonyokra közzétett érték.

A vezető működési hőmérséklete az a független változó, amely szabályozza a megereszkedést. A szabványos ACSR vezetékek folyamatos működésre vannak méretezve 75°C, 90°C vagy 100°C , magasabb hőmérséklet megengedett vészhelyzetben vagy rövid távú csúcsterhelési körülmények között. 93°C felett az alumínium szálak lágyulni kezdenek, ami tartósan csökkenti szakítószilárdságukat. A magas hőmérsékletű alacsony ereszkedésű (HTLS) vezetők, mint például az ACSS, G(Z)TACSR és ACCR, teljesen lágyított alumínium vagy kompozit magokat használnak a folyamatos működéshez 150-210 °C , ami nagyjából megkétszerezi egy hagyományos ACSR-vonal áteresztőképességét ugyanazon az elsőbbségen belül anélkül, hogy magasabb tornyokra lenne szükség.

Sag-tension számítás és húrozás gyakorlat

A vezető feszültsége és a megereszkedés közötti kapcsolatot a felsővezeték-egyenlet szabályozza, amely 300 méternél rövidebb fesztávok esetén elfogadható hibával parabolikus közelítésre egyszerűsödik. A tervezési folyamat az uralkodó fesztáv koncepciójával kezdődik, egy súlyozott átlagos fesztávolsággal, amely a zsákutca szerkezetek közötti teljes feszítőszakasz egyenértékű mechanikai viselkedését reprezentálja. A kezdeti tehermentes feszültség a legalacsonyabb húrhőmérsékleten, jellemzően -20°C vagy 0°F , úgy kell beállítani, hogy a vezető ne haladja meg a névleges szakítószilárdságának 60%-át az Országos Elektromos Biztonsági Szabályzat (NESC) által a földrajzi terhelési körzetre meghatározott legsúlyosabb jég- és szélterhelés kombináció mellett.

A húrozás nem egyszerűen azt jelenti, hogy a vezetőt a kívánt feszültségig húzzuk és rögzítjük. A vezetéket egy tranzit- vagy digitális sagométerrel a fesztávon mért megereszkedési értékre kell feszíteni úgy, hogy a vezető ismert egyenletes hőmérsékleten legyen. Az ACSR Drake 300 méteres fesztávolságánál 15°C-on, szél és jég nélkül a célsüllyedés kb. 6,5 méter , amely körülbelül 17 kN vízszintes feszültségnek felel meg. A becsatolás után a vezető ellazul a pászma ülepedése és a metallurgiai kúszás révén, és kb. A kezdeti feszültség 10-15%-a az első 1000 üzemóra alatt . A húr megereszkedésének meg kell előznie ezt a kúszást azáltal, hogy 10-12%-os túlfeszültséget céloz meg, ami aztán ellazul a tervezett végső megereszkedésig.

Lipari rezgés és vezető csillapítás

Ha egyenletes lamináris szél 1 és 7 m/s közötti sebességgel halad át egy felsővezetéken, váltakozó Kármán örvényeket bocsát ki, amelyek a szélirányra merőleges ciklikus emelőerőt indukálnak. Ez a eolikus rezgés, amelynek frekvenciája jellemzően a tartományba esik 3-150 Hz , arra kényszeríti a vezetőt, hogy az egyik magasabb rezgésmódjának természetes rezonanciafrekvenciáján vagy annak közelében oszcilláljon. Az ebből eredő hajlítási feszültség a vezető felfüggesztő bilincsénél, ahol a mozgás teljesen visszatartott, meghaladja az alumínium kb. 57 MPa (8,3 ksi) több tízmillió cikluson belül, amelyek egyenletes szélviszonyok mellett napok alatt felhalmozódnak.

A mérséklés Stockbridge csillapítókat, spirális rezgéscsillapítókat (a hivatalosan kutyacsont csillapítók vagy spirál alakú csillapító elemek) vagy távtartó csillapítókat használ a kötegelt vezetékeken. A megfelelően hangolt Stockbridge csillapítónak két rezonanciafrekvenciája van, amelyek rögzítik a domináns vezetőfrekvenciát, és elnyelik a vibrációs energiát a hírvivőkábel-szálak belső súrlódásán keresztül. A csappantyú elhelyezésének távolsága a bilincstől nem önkényes; olyan helyen kell elhelyezni, ahol a vezető rezgéscsillapító amplitúdója elegendő a csillapító gerjesztéséhez. Egy tipikus 132 kV-os, ACSR Lynx vezetékes vezetéknél az első zsalu kerül elhelyezésre 0,8-1,2 méterre a felfüggesztő bilincs szájától , 1,8 méteres második lengéscsillapítóval 400 métert meghaladó fesztávon.

Korona kisülés és elektromágneses mező kezelése

230 kV és ennél nagyobb átviteli feszültségek esetén a vezető felületén az elektromos tér gradiense megközelíti a levegő dielektromos áttörési szilárdságát, kb. 30 kV/cm tengerszinten . Ha száraz körülmények között a felületi gradiens meghaladja a durván 17 kV/cm-t, koronakisülés indul meg, ami hallható zajt, rádióinterferenciát (RI) okoz a 0,5-1,6 MHz sávban, és teljesítményveszteséget okoz. A felületi gradiens fordítottan arányos a vezető sugarával; fázisonként egy vezető átmérője legalább legyen 24 mm 230 kV és 32 mm 345 kV esetén hogy a gradiens a koronaküszöb alatt maradjon.

A kötegelt vezetékek ezt úgy oldják meg, hogy a fázisáramot két, három vagy négy részvezető között osztják fel, amelyeket merev távtartók választanak el egymástól 30–45 cm-es távolságban. A 28 mm átmérőjű vezetékek ikerkötege 400 kV-on kb. 180 mm az elektromos téreloszlás tekintetében a felületi gradienst nagyjából háromszorosára csökkenti egyetlen egyenértékű teljes keresztmetszetű vezetőhöz képest. A távtartó közötti távolságot úgy választották meg, hogy optimalizálja az egyensúlyt az elektromos mező egyenletessége és a mechanikai stabilitás között a tartomány alatti oszcillációval szemben. Ez a jelenség, amikor a szél felőli vezető leárnyékolja a szélvédőt, ami olyan aerodinamikai instabilitást hoz létre, amely elliptikus ostormozgásokat hajt végre.

Szigetelő kiválasztása és kúszótávolság koordinálása

A felső vezeték mechanikusan van megtámasztva és elektromosan le van választva függesztő- vagy feszítőszigetelő húrokkal. A szigetelő kúszótávolságának, a szigetelő felületének hosszának a feszültség alatt álló végszerelvénytől a földelt végig elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy szennyezett nedves körülmények között megakadályozza a felvillanást. A fajlagos kúszótávolság a rendszer fázis-fázisfeszültségének kV-jára vonatkoztatott kúszás mm-ben van megadva. Fényszennyezett területeken egy adott kúszófelület 16 mm/kV megfelelő; nehézipari vagy parti sópermet esetén 31 mm/kV vagy több meghatározott, hosszabb szálak vagy mélyebb szoknyás köd típusú szigetelők használatával érhető el.

A szilikongumi tárolókkal ellátott kompozit polimer szigetelők nagymértékben kiszorították a porcelán és üveg sapka- és tűhúrokat az új építéshez 138 kV-on és az alatt, és egyre elfogadottabbá válnak az EHV-szinteken. A szilikongumi hidrofób felülete miatt a víz gyöngyözik, nem pedig folytonos vezető filmet képez, így elnyomja a szivárgó áramot. 10-100-as tényező a hidrofil porcelán felülethez képest azonos szennyezési feltételek mellett. A kompozit szigetelők elsődleges meghibásodási módja az üvegszálas mag rúdjának rideg törése a savtámadás vagy a hibás végilleszték tömítésénél való víz behatolása miatt, amely mechanizmus megköveteli a mechanikai terhelés folyamatos ellenőrzését és a ház integritásának szemrevételezését.

Illesztés, zsákutca és hardverkompatibilitás

A teljes felsővezeték csak annyira megbízható, amennyire a csatlakozásai és végződései. A szabványos tekercskapacitást meghaladó vezetékhosszúságokhoz szükséges középfesztávú csatlakozásoknak legalább a szakítószilárdságot el kell érniük A vezető névleges szakítószilárdságának 95%-a és az elektromos ellenállás nem haladja meg a nem illesztett vezető egyenértékű hosszának 75%-át. A hatszögletű szerszámmal és 700 bar (10 000 psi) nyomásra képes hidraulikus préssel felhordott kompressziós típusú, teljes feszítésű kötések az ipari szabványok. A csuklótest egy alumínium hüvely, amely átcsúszik az alumínium szálakon, és egy külön acél hüvely, amely az acélmagot fogja meg. A két hüvely egymástól függetlenül van felhúzva; először az acélhüvely, amely a teljes névleges feszültséget átviszi a magon, majd az alumínium hüvely, amely az áramot az acélcsukló körül viszi.

A bimetál galvanikus korrózió ott lép fel, ahol az alumínium vezetőszálak rézötvözetből készült hardverrel érintkeznek elektrolit jelenlétében. Az alumínium, mivel anódos a rézhez, áldozatul korrodálódik. Az alumínium vezetékekhez használt összes kompressziós csatlakozónak és bilincstestnek alumíniumötvözetből kell készülnie, vagy teljesen ónozottnak kell lennie, hogy megakadályozza a réz és az alumínium közötti közvetlen érintkezést. Azoknál az alállomási zsákutcáknál, ahol az alumínium felsővezeték átmegy rézbuszra, egy bimetál súrlódó hegesztésű átmeneti fül leválasztja a két fémet, miközben kis ellenállású áramutat biztosít, amely a vezeték teljes zárlati áramára alkalmas.