Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Инновационные провода для воздушных линий электропередачи

Данной публикацией авторы завершают серию статей*, посвящённых инновационным проводам для воздушных линий электропередачи.
Как показала 10-я юбилейная Международная специализированная выставка кабелей, проводов, соединительной арматуры, техники прокладки и монтажа кабельно-проводниковой продукции CABEX-2011, прошедшая 15-18 марта 2011 года в ЭЦ «Сокольники», в настоящее время российские и иностранные производители предлагают полный спектр инновационных проводов, в том числе и высокотемпературных для воздушных линий электропередачи. Принципиально эти провода можно разделить на следующие группы:
• компактные провода с длительно-допустимой температурой нагрева до 90°С;
• высокотемпературные провода с длительно-допустимой температурой нагрева свыше 100°С, которые могут быть как компактного, так и традиционного конструктивного исполнения;
• высокотемпературные провода с низкой стрелой провеса и длительно-допустимой температурой нагрева свыше 100°С, которые обладают пониженным коэффициентом линейного температурного расширения (как по сравнению со стандартными проводами марки АС, так и с вышеперечисленными типами проводов) и могут быть компактного или традиционного конструктивного исполнения.

КОМПАКТНЫЕ ПРОВОДА С ДЛИТЕЛЬНО-ДОПУСТИМОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ НАГРЕВА ДО 90°С

Основной технической идеей, реализованной в проводах данного типа, является увеличение суммарного поперечного сечения токопроводящей части провода при сохранении внешнего диаметра. Это достигается за счёт уплотнения провода: применяют токопроводящие проволоки не круглого стандартного профиля, а другой формы (например, трапециевидной или Z-образной), благодаря чему уменьшается свободное межпроволочное пространство и соответственно увеличивается коэффициент заполнения поперечного сечения провода проводниковым материалом. Если для стандартных проводов марки АС коэффициент заполнения составляет 0,61—0,67, то для современных компактных проводов он может достигать значения 0,88.
Однако увеличение коэффициента заполнения способствует росту не только электропроводности провода, но и его массы, что приводит к увеличению нагрузок на опоры воздушных линий электропередачи. Поэтому с целью оптимизации соотношения «масса — электропроводность» провода стандартный стальной сердечник заменяется на сердечник из высокопрочной стали меньшего сечения либо из алюминиевого сплава или композитных материалов.
Для наглядности ниже приводятся сравнительные характеристики стандартного провода АС 400/51 и компактного сталеалюминиевого провода с сердечником из высокопрочной оцинкованной стали с коэффициентом заполнения 0,732 (см. таблицу).
Расчёт предельной токовой нагрузки, выполненный в соответствии с Методикой расчёта предельных токовых нагрузок по условиям нагрева проводов для действующих линий электропередачи (МТ 34-70-037-87), показывает, что для стандартного провода облегчённой конструкции АС 400/51 предельная токовая нагрузка составляет 825 А, а для компактного провода с коэффициентом заполнения 0,732 — 860 А.
Классическим примером компактного провода, в котором осуществлена замена алюминия на алюминиевый сплав при сохранении диаметра провода, служит провод AERO-Z производства компании NEXANS.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОВОДА
Как следует из предшествующих публикаций, основным отличием большинства высокотемпературных проводов от стандартных проводов марки АС является применение алюминиево-циркониевых сплавов TAL и ZTAL вместо обычного алюминия. Содержание незначительной доли циркония в этих сплавах способствует сохранению механических и электрических характеристик токопроводящей части провода при его нагреве вплоть до температуры 150—230°С. Это даёт возможность существенно увеличить пропускную способность линии электропередачи по сравнению с применением стандартных проводов марки АС. В отдельных случаях увеличение пропускной способности может достигать трёхкратного значения.
Существуют также конструкции высокотемпературных проводов, в которых в качестве токопроводящей части используются проволоки из отожжённого алюминия, а не из алюминиево-циркониевого сплава. Однако эти проволоки изначально обладают достаточно низкой прочностью на разрыв. Поэтому компенсировать разрывную прочность провода в целом приходится за счёт стального сердечника, увеличивая его сечение, а соответственно и массу всего провода.
Таким образом, среди высокотемпературных проводов со стальным сердечником наиболее часто предпочтение отдаётся конструкциям с токопроводящей частью из алюминиево-циркониевого сплава.
Так как нагрузочные потери активной мощности пропорциональны квадрату тока, для высокотемпературных проводов становится актуальной задача снижения активного сопротивления провода, которая также решается за счёт уплотнения его токопроводящей части.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОВОДА С НИЗКОЙ СТРЕЛОЙ ПРОВЕСА
Стрела провеса провода возрастает по мере увеличения температуры его нагрева. В главе 2.5 ПУЭ-7 нормируются наименьшие допустимые расстояния по вертикали от нижней точки провода до поверхности земли, естественных препятствий и инженерных сооружений (так называемые габаритные расстояния), которые должны быть обеспечены при наибольшей стреле провеса провода. Для соблюдения этих габаритных расстояний с ростом рабочей температуры провода необходимо уменьшать пролёты или применять более высокие опоры. Другим альтернативным решением этой проблемы, которое может оказаться более предпочтительным, является применение проводов, изготовленных из материалов, обладающих меньшим коэффициентом линейного температурного расширения, что способствует уменьшению стрел провеса при неизменных длинах пролётов и высоте опор. Такое решение может быть реализовано при применении проводов особой конструкции — так называем GAP-проводов — проводов с зазором либо за счёт изготовления сердечника из специальных материалов с низким коэффициентом линейного температурного расширения — железоникелевого сплава (сплава Invar) и различного вида композитные материалы.

В GAP-про в одах между токопроводящей частью из алюминиево-циркониевого сплава и стальным сердечником, изготовленным из высокопрочной стали, существует зазор. Образно такой провод можно представить, как стальной сердечник, продетый в алюминиевую трубу. Монтаж GAP-провода осуществляется таким образом, что всю растягивающую нагрузку воспринимает только стальной сердечник. Поэтому с ростом температуры провода величина его стрелы провеса будет определяться только коэффициентом линейного температурного расширения стали. Стрела провеса правильно спроектированного и смонтированного провода с зазором при максимальной рабочей температуре его нагрева 150°С может быть практически соизмерима со стрелой провеса традиционного провода марки АС при температуре 90°С. Изменение стрелы провеса высокотемпературного провода в зависимости от температуры его нагрева приведено на рисунке.
Как следует из рисунка, при температуре около 45°С наблюдается излом зависимости стрелы провеса высокотемпературного провода от температуры его нагрева. При температуре нагрева свыше 45°С вся растягивающая нагрузка воспринимается только сердечником, обладающим существенно меньшим коэффициентом линейного температурного расширения, чем проводниковый материал. Это приводит к меньшему росту стрелы провеса провода с ростом температуры его нагрева свыше 45°С.

КУДА ЖЕ НАМ ДВИГАТЬСЯ ДАЛЬШЕ?

Подводя итоги серии публикаций, посвящённых инновационным проводам для воздушных линий электропередачи, можно сделать вывод, что мир шагнул далеко вперёд в развитии проводов для воздушных линий электропередачи. Задача, стоящая перед отечественными электроэнергетиками, заключается в оценке опыта применения новых конструкций проводов в мировой практике и внедрении в электрические сети наиболее оптимальных конструкций.
В настоящее время, на наш взгляд, по соотношению «цена — качество» оптимальным может оказаться применение компактных проводов с сердечником из высокопрочной канатной оцинкованной стали. Следует отметить, что материалы для данной конструкции проводов серийно выпускаются предприятиями Российской Федерации и соответственно стоимость проводов новой конструкции не должна существенно отличаться от стандартных проводов марки АС.
Для изготовления высокотемпературных проводов более перспективным выглядит применение алюминиево-циркониевых сплавов, которые позволили бы также эффективно решать задачу плавки гололёда за счёт повышения температуры провода значительно выше 90°С. При таких температурах у стандартных сталеалюминиевых проводов происходит снижение временного сопротивления разрыву алюминиевой части провода за счёт отжига.

В заключение авторам цикла статей хотелось бы предложить читателям на страницах журнала обсудить перспективу замены в будущем алюминия как основного токопроводящего материала на алюминиево-циркониевые сплавы и постепенный переход от проводов традиционного профиля к компактным проводам.

* Журнал «КАБЕЛЬ-news», №4, апрель, 2010, с. 54—55; №6—7, июнь-июль, 2010, с. 48—51.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно