Провисание проводов меньше — электроэнергии больше

Энергокомпании по-прежнему сталкиваются с большим числом технических проблем, множество из которых касается инфраструктуры систем передачи и распределения электроэнергии. По мере того, как спрос на электроэнергию растёт, проблемы с модернизацией существующей инфраструктуры и строительством новых линий электропередачи остаются. Это вынуждает энергокомпании искать новые, инновационные способы повышения пропускной способности линий и обеспечения надёжности систем.

Система электропередачи энергокомпании Israel Electric Corp. (IEC), которая в настоящее время сталкивается с ежегодным ростом спроса на электроэнергию в 3,5%, главным образом состоит из воздушных линий 400 и161 кВ переменного тока. Старые линии были построены с применением ста-леалюминиевых проводов типа ACSR, а новые — с проводами, полностью изготовленными из алюминиевого сплава с более высокой проводимостью, но меньшей прочностью (AAAC). Сложности с получением прав на трассы для новых линий и бюджетные ограничения, испытываемые компанией 15 лет назад, вынудили IEC рассмотреть возможности модернизации существующих линий вместо строительства новых линий или реконструкции старых.

За данный период рабочая температура проводов для большинства ЛЭП была увеличена от 60-80 до 100°C, что обеспечило повышение пропускной способности линий на 70 и 40% соответственно. Тем не менее к настоящему времени спрос на электроэнергию вырос настолько, что такого увеличения допустимой нагрузки по нагреву уже недостаточно. В связи с этим IEC приступила ко второй фазе реализации программы повышения токовой нагрузки проводов, в ходе которой существующие провода будут заменены на высокотемпературные провода с малой стрелой провеса (HTLS). Ввиду того, что новые провода будут иметь рабочую температуру, по крайней мере 200°C, допустимая токовая нагрузка линии будет увеличена значительным образом — еще на 40-50%.

ОГРАНИЧЕНИЯ ДЛЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЛИНИЙ

Обязательным условием для настоящего проекта по замене проводов было недопущение изменений конструкции действующих опор, за исключением ремонтных работ, необходимых для восстановления их первоначальных эксплуатационных характеристик. Это условие означало, что провода HTLS должны были соответствовать тем же ограничениям по нагрузке опор и провисанию при высоких температурах, что и прежние провода.

Во время первой фазы проекта по увеличению рабочей температуры проводов до 100°C были учтены габариты для действующих линий. Кроме того, была проведена модификация вспомогательного оборудования опор и арматуры. Целью второй фазы проекта было обеспечение того, чтобы величина провисания новых проводов HTLS с рабочей температурой 200°C не превышала величины провисания прежних проводов с рабочей температурой 100°C.

Недавно стандарты по допустимым ветровым нагрузкам в Израиле были пересмотрены в сторону увеличения расчётной ветровой нагрузки на действующие опоры ЛЭП. Поскольку большинство ЛЭП IEC были построены до принятия новых требований к нагрузкам, энергокомпания имела право не повышать их прочность. Тем не менее в настоящее время линии считаются перегруженными, поэтому дополнительные нагрузки на опоры не допускаются. Что касается недавно возведённых ЛЭП, их опоры имеют достаточный запас прочности для принятия дополнительной нагрузки.

ВЫБОР ПРОВОДОВ

Провода HTLS с рабочей температурой 200°C состоят из сердечника из стали различных классов прочности, инвара, композитных материалов и токоведущего слоя из термостойкого сплава алюминия и циркония или отожженного алюминия типа A1 (алюминия 1350 H-0). После предварительных термомеханических расчётов IEC выбрала сталеалюминиевые провода типа ACSS, которые не только удовлетворяли всем необходимым критериям, но и имели наименьшую стоимость среди альтернативных проводов. Более того, такие провода имели максимальный срок эксплуатации и высокие показатели надежности.

Покрытие Galfan (сплав цинка и 5% алюминия и мишметалла) в большинстве случаев подходит для эксплуатации при высоких температурах, в то время как сталь, плакированная алюминием, характеризуется высокой коррозионной устойчивостью. IEC рассмотрела возможность использования проводов компактной конструкции с трапецеидальным сечением, однако такие провода с эквивалентным диаметром имеют больший вес и могут перегрузить опоры. Трапецеидальные провода с эквивалентным сечением имеют меньшую поверхность теплоотдачи и, следовательно, меньшую допустимую токовую нагрузку. В результате IEC выбрала скрученный провод стандартной конструкции.

На первый взгляд проводу со стальным сердечником не хватает преимущества исключительно малой величины удлинения при нагреве, характерной для сердечников из инвара или композиционных материалов. Тем не менее минимальное содержание стали снижает вес провода, повышая при этом отношение натяжения к весу и, следовательно, снижая начальную величину провисания в пределах ограничений максимального натяжения на опорах. Вибрации проводов под воздействием ветра не представляют собой проблему благодаря хорошим характеристикам сталеалюминиевых проводов по самодемпфированию. Кроме того, высокая эластичность тонкого стального сердечника в большой степени компенсирует удлинение провода при нагреве.

ПРЕДНАПРЯЖЕНИЕ ПРОВОДОВ

Финальным этапом проекта, направленным на решение проблемы с провисанием провода, стало преднапряжение сталеалюминиевого провода типа ACSS. Натяжение провода до значений, превышающих его допустимый максимум в период до провисания провода, передаёт нагрузку с алюминиевой оболочки на стальной сердечник, сокращая удлинение провода при нагреве и повышая его эластичность. Кроме того, это предотвращает деформацию провода и улучшает его характеристики по самодемпфированию. Существует три основных преимущества преднатяжения провода:

• нет необходимости в применении гасителей вибраций;
• небольшие дефекты провода, связанные с расхождением жил, в основном в местах крепления, устраняются во время преднатяжения и более не требуют отдельного внимания;
• конечное провисание поддаётся наблюдению и измерению, а не только расчётам.

Величину провисания прежнего сталеалюминие-вого провода типа ACSR 300/50 мм2 (0,465/0,0775 дюйма²) после деформации провода сравнили с величиной провисания нового сталеалюминиевого провода типа Goldfinch/ACSS/HS AW 22/7636 круговых милов (322,2/31,5 мм²) [0,499/0,0488 дюйма²] с аналогичным наружным диаметром и меньшим содержанием стали (31,5 против 50 мм²) после проведения процедуры преднапряжения. Расчёты производились при помощи программного обеспечения SAG10 от Southwire. Программа SAG10 моделирует преднапряжение и распределение натяжения между стальным сердечником и алюминиевой оболочкой. Результаты сравнительного анализа подтверждают, что величина провисания провода ACSS при 200°C не превышает величины провисания прежнего ACSR при 100°C. Следовательно, все требования к провисанию провода ACSS выполняются.

По причине меньшего веса провода ACSS его провисание при нагреве меньше провисания провода ACSR, в котором содержание стали больше. Тем не менее благодаря своей значительно более высокой эластичности при ветровых нагрузках провод ACSS удлиняется в гораздо большей степени, что предотвращает его чрезмерное натяжение. После экспериментального протягивания проводов компанией IEC на небольших пролётах применили меньшую величину натяжения провода, чем величину для сравнительного анализа, поскольку увеличение габарита линии не потребовалось.

В итоге IEC выбрала сталеалюминиевые провода типа ACSS стандартной (некомпактной) конструкции, с тем же диаметром, что и старые провода ACSR, но с меньшим содержанием стали, а именно стандартные сталеалюминиевые провода ACSS Goldfinch и Bobolink.

ПИЛОТНЫЙ ПРОЕКТ IEC

Для реализации своего пилотного проекта IEC выбрала двухцепную линию электропередачи напряжением 161 кВ. Эта линия протяжённостью 12 км (7,5 мили) была построена 40 лет назад с использованием проводов с максимальной рабочей температурой 60°C, которые 15 лет назад были заменены на провода с максимальной рабочей температурой 100°C. Каждая фаза представляла собой одинарный сталеалюминиевый провод типа ACSR 300/50 мм². Линия проходит через промышленную зону с высоким уровнем загрязнения воздуха и в непосредственной близости от Средиземного моря.

IEC выбрала провод Goldfinch/ACSS/HS AW 636 круговых милов из высокопрочной стали, плакированной алюминием, для максимальной защиты от коррозии. Это означало меньшее содержание стали в проводе и больший габарит линии над землёй, что позволило IEC избежать необходимости в модернизации множества гирлянд подвесных изоляторов. В качестве максимального значения преднапря-жения применили 3000 кгс, что превышает максимальное натяжение в условиях ветра (2700 кгс), обуславливающее нулевое натяжение алюминия при температуре от 30 до 40°C.

Провода были предоставлены Southwire, а нагре-востойкая арматура — ACA. Обе компании провели обучение линейного персонала IEC по установке проводов на её тренировочной площадке.

Процедура протягивания новых проводов HTLS ACSS мало отличалась от процедуры для прежних сталеалюминиевых проводов типа ACSR, однако было отмечено следующее:

• IEC замерила разницу в натяжении во время преднапряжения, в результате чего было обнаружено, что снижение натяжения выравнивалось через 15 минут, вследствие чего было задано время преднатяжения провода — 20 минут;
• на всех этапах проекта после преднапряжения натяжение провода не должно быть меньше конечного натяжения (провисания); в противном случае механический эффект преднапряжения может быть частично утерян;
• использование натяжного зажима приводило к сдвигу стального сердечника провода Goldfinch внутри алюминиевой оболочки. По этой причине применили специальный фиксатор сердечника, состоящий из прижимной шайбы и гильзы;
• натяжной зажим разрушает алюминий при натяжении провода свыше 1700 кгс, поэтому IEC приняла решение использовать двойной зажим при натяжении 1500-3000 кгс. Двойной зажим представляет собой два соединённых вместе натяжных зажима, позволяющих равномерно распределять усилие натяжения.

Сравнительный анализ величин провисания сталеалюминиевых проводов типа Goldfinch/ACSS/HSAW 636 круговых милов и ACSR 300/50 мм²

Примечание. Соотношение площадей алюминий/сталь для проводов ACSR составляет 300/50 мм² (0,465/0,0775 дюйма²). Соотношение площадей алюминий/сталь для проводов Goldfinch ACSS составляет 322,2/31,5 мм² (0,499/0,0488 дюйма²).

ЛЭП, выбранная для пилотного проекта, сильно нагружена, в связи с чем IEC была вынуждена работать на одной из цепей, когда смежная линия находилась под напряжением, а иногда даже между двумя линиями под напряжением. На некоторых линиях иногда возникали проблемы, связанные с малым расстоянием до токоведущих частей, в особенности на старых и угловых опорах.

Новый провод ACSS требует применения больших по размеру натяжных блоков на углах по сравнению с обычным сталеалюминиевым проводом ACSR. Однако стандартные блоки такого размера имеют большой вес, а IEC не была уверена в том, что новые провода смогут выдержать такой вес без повреждения алюминиевой оболочки провода. По этой причине на таких углах применили легковесный натяжной блок, первоначально разработанный для использования с оптическим грозотросом, который также в большей степени подвержен внешним воздействиям по сравнению с обычными проводами ACSR. Этот блок в три раза легче по сравнению со стандартным блоком того же диаметра, и, более того, его центр тяжести расположен гораздо выше. Широкое использование таких блоков значительно облегчит работу линейному персоналу в будущем.

ПРЕИМУЩЕСТВА

Оснащение линий электропередачи новыми проводами с высокой рабочей температурой и малой величиной провисания повышает пропускную способность линии приблизительно на 50% по сравнению с пропускной способностью линии со сталеалюминиевыми проводами ACSR с максимальной рабочей температурой 100°C.

Новые провода ACSS стандартной конструкции подходят для применения в климатических условиях Израиля. Отсутствие обледенения проводов, пониженное содержание стали, малый вес и высокая эластичность способствовали решению проблемы с провисанием провода и в некоторых случаях позволили увеличить габарит линии. Всех этих преимуществ удалось достичь без повышения нагрузки на промежуточные и анкерные стальные опоры.

Преднатяжение новых сталеалюминиевых проводов до их провисания позволяет снизить конечную величину провисания. Преднатяжение должно проводиться с превышением максимально ожидаемого натяжения провода, а упругая деформация алюминия должна обеспечить в пределах основной части диапазона рабочих температур провода, чтобы натяжение линии принимал на себя только стальной сердечник.

В итоге, кроме необходимости в применении некоторых специальных инструментов и вспомогательного оборудования, процесс протягивания новых сталеалюминиевых проводов ACSS с высокой температурой нагрева и малой величиной провисания практически не отличается от протягивания обычных сталеалюминиевых проводов типа ACSR.