Высоковольтные провода для линии электропередач

Обзор

Провода воздушных линий электропередачи отличаются видом и широким диапазоном сечений. Изделия эксплуатируются преимущественно под открытым небом, подвергаясь воздействию абсолютно всех атмосферных явлений – ветер, осадки, значительные перепады температур. В воздухе содержится большое количество химических веществ – морская соль, газы, которые тоже оказывают влияние на их состояние. ЛЭП создаются с большим запасом прочности и высокой устойчивости к коррозии и другим негативным факторам.

Провода воздушных линий электропередачи предназначены для работы в любой климатической зоне на суше, в воздушном пространстве I и II типа при наличии в воздухе сернистого газа максимум 150 миллиграмм на 1 м² в сутки.

Виды проводов для ЛЭП

В энергетической отрасли используются изделия с самыми разными техническими характеристиками в зависимости от решаемых задач, отличаются и материалы, из которых их производят:

• алюминий – сердечник и повивы;
• алюминий – верхние повивы, сталь - сердечник;
• алюминий – верхние повивы и углеродный композитный материал – сердечник;
• с изоляцией (самонесущие изолированные провода).

Особенности того или иного провода отражаются в его номенклатурном обозначении (при использовании маркировки в соответствии с требованиями ГОСТ). Например:

• A3F/S1A-Z – (А) алюминиевый сплав, (S) сердечник стальной, Z-образное сечение проволок верхних повивов, (1) один повив;
• А3F-Z – алюминиевый сплав, без сердечника, Z-образное сечение проволок верхних повивов.

Наличие буквы Z означает, что верхние повивы выполнены из алюминиево-магниевой проволоки с Z-образным сечением. Цифра перед буквой – количество повивов. Наружный слой провода имеет практически гладкую поверхность. Заполнение внутреннего пространства алюминием достигает 98,5%, столь плотная компоновка обеспечивает минимальное аэродинамическое сопротивление, за счёт чего снижается до минимальных значений механическое напряжение провода, а также увеличивается общее рабочее сечение алюминия – за счет чего возрастает пропускная способность провода без дополнительных тепловых потерь. Использование Z-повива снижает аварийность ЛЭП при шквалистом ветре, наледи, изморози, налипании снега.

1. Высоковольтные провода линии электропередач имеют следующие конструктивные преимущества.
1. Z-повив – развитая непрямолинейная поверхность контакта между соседними проволоками, препятствующая выпадению проволок из повивов при их повреждении, а также просачиванию наружу консистентной смазки изнутри провода и, как следствие, проникновению влаги к сердечнику (для провода с сердечником);
2. В неизолированных проводах с Z-повивом верхних проволок применяются сплавы на основе связи Al-Mg-Si, что позволяет обойтись без стального сердечника. Это обеспечивает до 22% уменьшение массы при близких значениях сопротивления и разрывного усилия. В связи с этим достигается сочетание высокой прочности на разрыв с малой массой.
2. Технические преимущества, подтверждённые расчетами.
1. За счет гладкой поверхности гололёд при его возможном возникновении сходит в 2,4 раза быстрее (по экспериментальным данным Института электротехнических исследований в Квебеке IREQ, Канада). Оригинал и перевод документа можно посмотреть в статье;
2. Моделирование сброса гололеда и пляски провода в программном комплексе PLS-CADD показывает уменьшение длины вертикального перемещения провода с гладкой поверхностью в сравнении с традиционным АС аналогичного сечения – в 1,6 раз, длины горизонтального перемещения – в 1,2 раза. Сравнение АС 300/66 и A3F/S1A-Z-410/117-27,6, описание сравнения можно посмотреть в статье;
3. Коэффициент сопротивления природному ветровому воздействию таких проводов линий электропередач ветровой нагрузки у провода с Z-образным сечением на 15% ниже, чем у провода из гладких проволок. При прочих равных, сила ветра, действующая на провод, прямо пропорциональна коэффициенту сопротивления.

Высоковольтные провода линии электропередач с Z-повивом отличаются большей механической прочностью. Вероятность обрыва из-за повреждений, возникающих при внешнем воздействии ветровой нагрузки, или снежной муфты на стреле провиса. Повивы сохраняют целостность даже если несколько соседних проволок получают повреждения. Повреждённые элементы не раскручиваются, что исключает риск возникновения короткого замыкания (явление, характерное для круглой проволоки). Эти провода воздушных линий электропередачи отличаются меньшим диаметром и большей торсионной жёсткостью. За счёт этих особенностей они более устойчивы к обрывам при обледенении и налипающем снеге.

Отличия от устаревших требований ПУЭ.

• Нормативы ПУЭ даны только для сталеалюминиевых проводов АС. Например, для ВЛ 330кВ ПУЭ прописывает использование провода сечением не менее АС 600/72 по условиям короны и радиопомех. Расчеты производителя провода показывают возможность уменьшения применяемого сечения провода по условиям короны и радиопомех по сравнению со стандартными на 24%.
• Расчет экономической плотности тока (как и выбор соответствующего сечения провода) делается на фиксированных значениях в ПУЭ. Эти значения были рассчитаны в 1950-е годы, когда показатели, применяемые для выведения значений - стоимость материалов, и стоимости кВт/ч, и методики расчета капитальных вложений, и т.п. – были иными. При пробных расчетах современных показателей картина существенно отличается. (см. таблицу 1 ниже)

Финансовые преимущества высоковольтных проводов для ЛЭП с гладкой поверхностью верхних повивов

• Статистика (журнал “Инновационная наука” №6/2016г.) сообщает нам, что 35% отказов электрооборудования ЛЭП происходит из-за влияния гололёдных образований. Из них 52% приходится на провода и тросы. Согласно данным Института электротехнических исследований в Квебеке IREQ, Канада, гололед на гладком проводе сходит за 1,7 часа, в то время как с обычного – за 4 часа.

  Соответственно время возможного простоя линии, а также ущерба от недоотпуска энергии из-за обрыва провода сокращается на 40%. Это также сокращает количество выездов ремонтных бригад для устранения аварии- снижение эксплуатационных издержек;

• Экономически обоснованное сечение выбирается по критерию минимума суммарных затрат на сооружение линии (САРЕХ) и эксплуатационных затрат, включая стоимость потерь электроэнергии (ОРЕХ). Однако, как правило, уменьшение капитальных затрат на сооружение линии (на традиционном проводе АС) влечёт за собой увеличение расходов на её эксплуатацию – см. выше статистику отказов ЛЭП (журнал Энергия Единой Сети 2013 г. см. таблицу 2 ниже);
• В одном из докладов 44-й сессии СИГРЭ , опубликованных в журнале Энергия Единой Сети №5 от 2013г. приведён график, наглядно показывающий сравнение стоимости строительства объекта в сопоставлении с ожидаемыми затратами на ликвидацию аварийных последствий (при снижении стоимости затрат на строительство ожидается пропорциональное увеличение затрат на эксплуатацию; сравнение приводилось в тематике применения проводов с гладкой поверхностью).

Алюминиевые провода

Продукцию используют при организации магистральных сетей для транспортировки электричества с номинальным переменным напряжением до 1150 кВ и частотой до 50 Гц. Провода применяют для подключения распределительных устройств.

Силовые алюминиевые кабели востребованы для ответвлений магистралей и вводов в РТП предприятий, цехов. С помощью высоковольтных проводов организуют воздушные линии электропередач в горных районах, на промышленных, лесных территориях. Продукция рассчитана на работу при диапазоне температуры окружающей среды от -60 до +50 °C. Изделия создаются при помощи повивной скрутки, в том числе вокруг стального, алюминиевого сердечника из нескольких круглых проволок, или вокруг монолитного сердечника из композитного материала, содержащего углеродные волокна.

К преимуществам высоковольтным проводам из алюминия относят:

• низкую цену — возможность создавать протяженные сети;
• длительный срок службы;
• упрощенный монтаж благодаря стальному сердечнику или тросу;
• увеличение расстояния между опорными элементами;
• передача электроэнергии на большие расстояния.

Сталеалюминиевые провода

Изделия имеют удельное сопротивление аналогичное, как у алюминиевых кабелей с одинаковым сечением. Конструктивно сталеалюминиевые провода состоят из стальных проволок внутри и алюминиевых снаружи. Благодаря использованию стали достигают механической прочности и меньшего линейного расширения при пропускании тока через провод и нагревании, а алюминиевые элементы выступают токопроводящей жилой.

В таких проводах образуется дополнительное напряжение алюминия по причине разницы в коэффициенте расширения материалов. Для недопущения преждевременного износа по причине вибрации, необходимо ограничивать напряжение при средних температурных показателях.

Алюминий начинает утрачивать прочность при температуре больше +65 °С. Поэтому при выборе проводов воздушных линий электропередач нужно учитывать предельную рабочую температуру и закладывать снижение прочности до 15% на срок эксплуатации 50 лет. Общая утрата прочности при авариях составляет не более 1%.

Производятся следующие марки сталеалюминиевых проводов:

• АС — изделия со стальным сердечником и одного или более повивов из алюминия снаружи. Продукция используется для прокладки на суше, за исключением территорий с загрязненным воздухом.
• АСКС, АСКП — для минимизации риска развития коррозии используется смазка, которой заполняют сердечник. Изделия могут использоваться в качестве проводов воздушных линий электропередачи на морском берегу и в промзонах с загрязненным воздухом.
• АСК — имеет стальной сердечник в изоляции пленкой. Аббревиатура АпСК обозначает, что это изделие высокой прочности.

Провода воздушных линий электропередач любой марки производятся с разным соотношением сечения алюминиевого элемента к сердечнику, параметры выбирают в зависимости от планируемой нагрузки: работы со средней нагрузкой, а также, когда требуется продукция высокой прочности, усиленная, облегченная и особо облегченная.

Изделия усиленной прочности востребованы в районах со стенкой гололеда свыше 20 мм. Особая прочность необходима при обустройстве больших пролетов через воду или сооружения. Облегченные подходят для новых линий в районах со стенкой гололеда до 20 мм.

Все чаще применяются провода с сердечником, которые имеют значительный вес, и меньший коэффициент линейного расширения сердечника.

Композитный сердечник:

• повышает прочность провода, т.к. легче и прочнее стали;
• уменьшает провисание провода.

Провода для воздушных линий

Провод CFСС (Composite Fiber Core Conductor)

• повышает проводимость провода, т.к. позволяет использовать на 28% больше алюминия, чем в проводах АС при равной массе.

Трапециевидные проволоки:

• увеличивают плотность алюминиевого проводника и эффективное сечение, что, в свою очередь, увеличивает проводимость провода.

Выгоды использования при строительстве:

• снижение стоимости проекта реконструкции ВЛ при сохранении слабых опор за счет уменьшения тяжений;
• снижение стоимости проекта на новых ВЛ за счет уменьшения количества опор (при увеличении пролетов между опорами) или применения опор меньшей высоты при заданном габарите;
• экономия на станциях плавки гололеда;

возможность выбора двух вариантов рабочих температур сердечника.

Выгоды при эксплуатации:

• повышенная проводимость материала позволяет сократить потери линии и связанные с ней выбросы в атмосферу на 20-30%, что дает возможность увеличить передаваемую мощность при меньших затратах на производство энергии и меньшем воздействии на экологию;
• в проводах CFСС используется композитный сердечник, который обеспечивает более высокую прочность провода по сравнению с другими проводами и меньшие стрелы провеса, что позволяет увеличивать длины пролетов линии;
• компактная структура, гладкая поверхность провода и эластичность сердечника позволяют снизить нагрузку на опоры при обледенении и ветровых нагрузках по сравнению со сталеалюминевыми проводами;
• стойкость к воздействию среды – отсутствие коррозии или возникновения электролиза между алюминиевыми проволоками и сердечником.

Преимущества при проектировании

При проектировании ЛЭП провода и кабели линий электропередач данного типа:

• дают возможность использовать уже имеющуюся арматуру, снижая затраты на монтаж;
• позволяют эффективно использовать отечественные программные комплекты;
• не требуют замены при переходе водных преград, поскольку стальной сердечник обеспечивает проводу очень высокую степень сопротивления на разрыв.

Конструктивные особенности проводов для ЛЭП

Электрический ток передается только по замкнутому контуру, поэтому питание потребителей осуществляется двумя проводниками и более. По данному принципу формируются простые воздушные ЛЭП — однофазные с напряжением 220 В. Сложные электроцепи осуществляют передачу по трех- и четырехпроводной схеме с заземленным или наглухо изолированным нулем.

Металл для изготовления провода и его диаметр выбирают с учетом планируемой нагрузки каждой линии. Наибольшее распространение получили сталь и алюминий, которые производятся путем сплетения нескольких проволок (для высоковольтных линий) или из монолитной жилы (для низковольтных схем). Пространство между проволоками заполняют смазкой для стойкости к нагреванию, либо смазочный материал не используют.

Многопроволочные конструкции высоковольтных проводов линий электропередач выполняются со стальными сердечниками. Такие системы из алюминиевых кабелей, хорошо пропускающих ток, рассчитаны на высокие нагрузки натяжения, предотвращают обрыв.

Самонесущие провода СИП повсеместно заменяют неизолированные конструкции в обустройстве ВЛЭП, и применяются на воздушных линиях электропередач, как правило до 35 кВ, иногда/редко до 110кВ. Они состоят из нескольких алюминиевых жил, широко применяются при организации магистральных линий и для проводки в жилых домах, возможна прокладка по стенам строений.

В зависимости от поставленной цели выбирают вид провода:

• СИП1 — с несущей нулевой жилой без применения изоляции.
• СИП2 — с изолированной нулевой жилой для обустройства линий с напряжением до 35000 В и частотой 50 Гц.
• СИП4 — нулевая жила не является несущей, при этом все жилы изолированы. Исключен риск замыканий. Продукция отличается долговечностью, служит более 40 лет.

Для организации воздушных линий электропередач в дачных поселках, деревнях используют СИП провода с нулевой несущей жилой, которая имеет сечение до 50 мм. Количество жил составляет 1-3 шт.

Преимущества при эксплуатации

В эксплуатации неизолированные провода для линий электропередачи с Z- ИЛИ т (ТРАПЕЦИЕВИДНЫМ) повивом (провода с гладкой поверхностью):

• за счёт улучшенных механических свойств успешно сопротивляются налипанию снега и образованию ледяной корки;
• снижают механическую нагрузку на опоры высоковольтной линии,возникающую при пляске проводов;
• сами гасят колебания, увеличивая жизненный цикл изделия и снижая степень усталости металла;
• снижают аэродинамический коэффициент;
• увеличивают пропускную способность линии, нивелируя проблему перегрузок;
• успешно сопротивляются коррозии;
• косвенно снижают теплопотери при передаче энергии;
• сохраняют целостность при повреждении части внешних проволок.

Провода воздушных линий электропередачи с Z- И Т- повивом могут эксплуатироваться как на суше, так и на море во II и III типах атмосферы любого микроклиматического района в соответствии с нормативами ГОСТ 15150 исполнения УХЛ. Стандарт проволоки отвечает требованиям IEC 60104(1987), провода в целом – IEC 62219(2002).

При выборе продукции необходимо проконсультироваться с квалифицированными специалистами, которые учитывают особенности эксплуатации и поставленные задачи.