Инновационные провода для воздушных линий электропередачи

Настоящей публикацией мы начинаем ряд статей, посвященных новому для российской электротехнической промышленности продукту — высокотемпературным проводам для воздушных линий электропередачи.
В течение более ста лет электрическая мощность передается по тяжелым сталеалюминиевым проводам — ACSR (Aluminum-steel Reinforced Conductor), которые в настоящее время используются более чем на 80% воздушных линиях. Провод ACSR был изобретен в начале XX века, что в те времена являлось революционным прорывом в области проводов воздушных линий.

Недостатки существующих
сталеалюминиевых проводов

С течением времени, а особенно в последние десятилетия, стали очевидны недостатки конструкции данных проводов, над устранением которых работают ведущие мировые компании:
1. Провод ACSR может длительно работать при температурах вплоть до 100 °С, а в аварийных условиях в течение ограниченного времени — при температурах до 125°С без какого-либо значительного изменения физических свойств провода. Эти температурные границы ограничивают по нагреву номинальную мощность типовой ВЛ 220 кВ приблизительно до 350 МВА. Тем не менее, непрерывно продолжающийся рост электропотребления заставляет сетевые компании повышать пропускную способность существующих линий, загрузка которых близка к предельной. Долгое время проблема увеличения пропускной способности решалась следующими способами:
– замена проводов на большие поперечные сечения;
– расщепление фазы;
– строительство дополнительных воздушных линий;
– повышение номинального напряжения.

Указанные способы хотя и широко применяются в настоящее время, однако имеют ряд существенных недостатков. Так, например, увеличение сечения не всегда возможно, поскольку сталеалюминиевый провод большего сечения обладает и большей массой и диаметром, что при заданных стрелах провеса, ветровых и гололедных воздействиях создает повышенные нагрузки на элементы опор, на которые старые опоры часто не рассчитаны, и возникает необходимость в установке дополнительных промежуточных опор в пролетах линии или установке новых (замене) опор. Второй способ почти всегда приводит к тем же проблемам, что и первый — возникает необходимость перестраивать всю линию. Строительство дополнительных воздушных линий требует значительных капиталовложений, временных затрат и получения разрешений на строительство. Однако установка новых опор может обернуться как серьезными проблемами в согласовании работ в густонаселенных районах, районах частных земель, в национальных парках, заповедниках и других зонах с запретом на строительство, так и высокими капиталовложениями, например, в горных районах (для подготовки площадок под опоры сложно и дорого из-за большого объема буровзрывных работ). К тому же строительство новых линий и реконструкция существующих с заменой опор существенно влияет на экологическое состояние местности, что очень важно для национальных парков и заповедников.
2. В условиях пиковых нагрузок стандартный стальной сердечник перегревается и расширяется, провод рас тягивается под действием собственной массы и провисает ниже допустимой величины, что часто приводит к его обрыву или замыканию на землю. Аналогичная ситуация возникает при больших механических нагрузках, например, сильных снегопадах — провод обрывается под массой налипающего на него снега, или сильных ветрах, чрезвычайно низких или высоких температурах окружающей среды.
3. При проектировании пересечений линий широких препятствий, таких как судоходные реки, озера, горные ущелья и т.д. требовалось существенное увеличение высоты опор для соблюдения габаритных расстояний.

Актуальность применения
высокотемпературных проводов

Для устранения вышеприведенных недостатков необходимо усовершенствовать существующие сталеалюминиевые провода.
Необходимость передавать большую мощность в пределах уже отведенной под воздушную линию полосы отчуждения привела к возросшему интересу к высокотемпературным проводам. Эти провода относятся к категории, известной как высокотемпературные провода с малыми стрелами провеса (HTLS conductors). Высокотемпературными именуются провода, предназначенные для длительной эксплуатации при повышенных температурах (свыше 100°С). Для стандартных сталеалюминевых (ACSR) проводов длительно допустимые токи соответствуют нагреву до 90°С, тогда как для высокотемпературных проводов длительно допустимая рабочая температура составляет 120-250°С (в зависимости от типа применяемого провода).
Привлекательный способ увеличения допустимой по нагреву мощности линии электропередачи включает замену исходного, как правило, сталеалюминиевого провода (ACSR) высокотемпературным проводом с малыми стрелами провеса (HTLS) приблизительно такого же диаметра, как и исходный провод, используя существующие опоры воздушной линии. Замена провода существующей линии одним из таких высокотемпературных проводов позволяет увеличить допустимую токовую нагрузку в 1,6-3 раза в зависимости от того, способен ли используемый при замене высокотемпературный провод достичь максимальной рабочей температуры в пределах нормируемого габарита. Таким образом, при наличии многих изменений в способе планирования и эксплуатации систем передачи энергии, а также внедрения инновационных технологий, необходимо увеличивать плотность тока существующих линий электропередачи.

Применение высокотемпературных проводов становится актуальным и для России:
1. Известно, что многие регионы нашей страны сталкиваются с проблемой ограниченной пропускной способности воздушных линий, в числе которых Московская, Ленинградская, Нижегородская, Архангельская, Волгоградская области, Краснодарский и Пермский края, республики Коми, Карелия, Тыва, Дагестан и другие. Уже сегодня энергопотребление этих районов в несколько раз превышает величины, заложенные в Энергетической стратегии РФ до 2020 года, и потребление электроэнергии в них постоянно растет.
2. Для южных регионов России характерны сложные метеоусловия: кратковременные сильные снегопады, штормовой ветер, резкие температурные скачки ежегодно приводят к обрыву линий электропередачи. Из-за сложных географических и метеорологических условий в этих районах (скалистые горы, сильные ветра и снегопады) доступ аварийно-восстановительных бригад к месту повреждений затруднен, и целые регионы могут оставаться без электроэнергии на протяжении нескольких дней, ожидая устранения повреждения.

Общие сведения о конструктивном
исполнении высокотемпературных проводов

В мировой практике высокотемпературные провода для воздушных линий могут изготавливаться с круглыми токопроводящими проволоками (рис. 1) или с токопроводящими проволоками трапециевидной формы (рис. 2), чтобы не допускать пустот в поперечном сечении провода.

Компактное исполнение провода позволяет уменьшить его диаметр при неизменной площади поперечного сечения, либо увеличить площадь поперечного сечения токопроводящей части при сохранении диаметра равным диаметру провода с круглыми проволоками. Во втором случае провод обеспечивает бо?льшую пропускную способность и меньшие потери активной мощности на нагрев, чем у провода с круглыми проволоками. Различают две конструкции проводов с трапециевидными токопроводящими проволоками: эквивалентного сечения и эквивалентного диаметра (по отношению к проводам с круглыми токопроводящими проволоками).

Высокотемпературные провода могут иметь конструкцию, приведенную на рис. 3, в которой внутренний повив токопроводящих проволок и сердечник разделены зазором, заполненным смазкой, стойкой к воздействию высокой температуры. Токопроводящие проволоки внутреннего повива, ближайшего к сердечнику, имеют трапециевидную форму, внешние — могут иметь как круглую, так и трапециевидную форму.

Основные виды высокотемпературных
проводов и их марки

В зависимости от исполнения — сочетания материалов, применяемых в конструкции провода — и особенности конструкции провода в мировой практике принято следующее обозначение высокотемпературных проводов. Как видно из табл. 1, существует многообразие вариантов изготовления высокотемпературных проводов. Выбор вида применяемого провода определяется не только его длительно допустимой температурой нагрева, но и существующими ограничениями стрел провеса.

Заключение

В следующих публикациях мы опишем свойства материалов, из которых изготавливаются провода, их технические характеристики проводов и осветим области рационального применения высокотемпературных, которые в настоящее время уже эксплуатируются в Российской Федерации.