Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

О классификации инновационных конструкций проводов воздушных ЛЭП

ВВЕДЕНИЕ

Нельзя не оценить положительно ориентацию на инновационные технические решения в электросетевом комплексе, заложенную в современную техническую политику ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «Россети». В той части соответствующих документов, которая касается сооружения новых и реконструкции существующих воздушных линий (ВЛ), прогрессивные решения направлены прежде всего на увеличение их пропускной способности [1].

Конечно, при этом не следует забывать и о необходимости обеспечения требуемой степени надёжности электроснабжения потребителей, а также об экономической эффективности таких решений. Одно из них состоит в использовании нетрадиционных типов проводов [2, 3], позволяющих достигнуть повышения в 1,6-3 раза длительно допустимой по условиям их нагрева передаваемой по ВЛ мощности за счёт увеличенной рабочей температуры провода. За такими проводами в современной технической литературе закрепилось название «высокотемпературные» (ВТП), хотя сами по себе эти температуры не слишком высоки — не более 250°С. Просто они отличаются в большую сторону от рабочих температур для традиционных сталеалюминиевых проводов марки АС [4, 5].

Ещё одно инновационное решение, частично использующее предыдущее, состоит в применении проводов, относящихся к категории HTLS (High Temperature Low Sag), то есть высокотемпературных проводов с малой стрелой провеса [6, 7].

Номенклатура проводов новых конструкций, выпускаемых зарубежными компаниями 3M, Nexans, General Cable, J-Power Systems, VISCAS, Southwire, СТС Global, Lumpi-Berndorf и др., а также отечественными заводами — ОАО «Кирскабель», ООО «ЭМ-КАБЕЛЬ», достаточно разнообразна и насчитывает вместе с модификациями около двух десятков наименований [2, 8]. К сожалению, проектировщику, перед которым стоит задача выбора марки провода, адекватной исходным техническим условиям, не просто сориентироваться в обилии публикаций (см. литературу), почти в каждой из них производитель соответствующей марки провода рекламирует свою продукцию. А что говорить о студентах, изучающих дисциплину «Конструкции воздушных линий электропередачи»? Ведь сегодня нет ни одного учебного и справочного пособия, систематизированно излагающего тему «Современные провода ВЛ».

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ ПРИЗНАКАМ

В связи с вышеизложенным ниже систематизирована информация о нетрадиционных конструкциях проводов и предложена их классификация по ряду признаков. В качестве таких признаков принята компонентная структура провода, форма и материал проволок токопроводящей части (ТПЧ) и материал сердечника. По каждому признаку выделены разновидности соответствующих характеристик, а также возможные варианты их реализации с указанием отличительных символов, присутствующих в марках проводов. Результаты этой работы представлены в табл. 1.

Табл. 1. Классификация проводов ВЛ по конструктивным признакам

В качестве иллюстрации разновидностей, выделяемых в соответствии с первым признаком («Компонентная структура»), на рис. 1 представлены поперечные сечения проводов, серийно изготовляемых в России по нормам ГОСТ 839-80 [4], а именно моно- и биметаллические провода марок А и АС.

Рис. 1. Поперечные сечения неизолированных проводов для ВЛ по ГОСТ 839-80

На рис. 2 показаны сечения проводов, ТПЧ которых изготовлены с использованием фасонных проволок различной формы (см. признак 2 в табл. 1). Поскольку применение ТПЧ из круглых проволок в прошлом являлось общепринятым решением, то здесь представлены только провода с нетрадиционной формой проволок в соответствии с позициями 2.2, 2.3 и 2.4 в табл. 1.

Рис. 2. Нестандартные формы проволок токопроводящей части провода

Справедливости ради следует отметить, что данная попытка классифицировать новые провода имеет своих предшественников. Так, в [9] выделены три группы инновационных видов проводов:

  • провода, устойчивые к обледенению (с оплёткой из материалов с низкой точкой Кюри или со специальным покрытием);
  • провода с повышенной механической прочностью;
  • термостойкие провода с повышенной пропускной способностью (дифференцированные только по материалу сердечника).

К сожалению, в [9] отсутствуют какие-либо пояснения относительно состава марок проводов, входящих в ту или иную группу. Кроме того, вызывает недоумение включение в разные группы (вторую и третью) одинаковых типов проводов (с сердечником из базальтовых или углеродных волокон).

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО УРОВНЮ ТЕРМОСТОЙКОСТИ

Более рациональным представляется выделение опять же трёх групп проводов в [6]. К первой группе отнесены компактные провода с длительно допустимой температурой нагрева до 90°С. Компактность достигается за счёт изменения формы проволок ТПЧ с круглой на трапецеидальную или Z-образную (см. рис. 2). При этом коэффициент заполнения поперечного сечения возрастает на 30-40%. Для проволок сердечника в таких проводах используется высокопрочная оцинкованная сталь, алюминиевый сплав или композит (см. позиции 4.1.1, 4.2.1 и 4.3 в табл. 1).

В таблице, представленной в [8], к этой группе отнесены провода с ТПЧ из алюминиевых проволок (марок ААС, АСАБ, АСSR) или из термообработан-ного сплава А3Б или АВЕ (Al + 2% (Mg+Si+Fe) [10] марок АААС Z и ААСSR Z. В качестве примера проводов этой группы на рис. 3 представлены поперечные сечения проводов с общей торговой маркой Aero-Z компании Nexans [16], а именно провода с проволоками ТПЧ из сплава А3F, являющегося аналогом отечественного термообработанного алюминиевого сплава марки АВЕ.

Рис. 3. Провода «Aero-Z» компании Nexans

Для перечисленных выше 5 марок проводов, не относящихся к категории «высокотемпературных», в [8] указана максимально допустимая рабочая температура (Тдоп), равная 90°С.

Расшифровка приведённых выше марок, так же как и последующих, представлена в табл. 2, которая частично совпадает с таблицей в [2], в которой даны только марки ВТП, то есть проводов, относящихся ко второй и третьей группам, выделенным в [6].

Табл. 2. Обозначения марок проводов ВЛ и их расшифровка

* С модификацией AAAC^W — ТПЧ с трапецеидальными проволоками.
** С модификациями ACSR^W и ACSR/AW (где AW или ACS — Aluminium Clad Steel Wire — стальная проволока, плакированная алюминием).

Вторая группа в [6] включает в себя ВТП, не относящиеся к категории HTLS. Это прежде всего провода, у которых проволоки ТПЧ изготовлены из алюминиево-циркониевых сплавов (Al-Zr). Шеренга этих сплавов насчитывает четыре наименования, а именно TAL, ZTAL, XTAL и KTAL [17]. Первые три модификации могут длительно эксплуатироваться при Тдоп = 150, 210 и 230°С соответственно. Последняя (KTAL) имеет такую же нагревостойкость, как и у сплава TAL (150°С), но отличается от него более высокой прочностью.

Всем этим сплавам в англоязычной литературе соответствует термин Thermal Resistant Aluminium Alloy (TRAA), что в переводе означает «термостойкий алюминиевый сплав». Однако, чтобы отличить разновидности, к основному термину добавляют следующие признаки: для ZTAL — Ultra TRAA, для XTAL — Extra TRAA, для KTAL — High Strength TRAA [2]. Рассматриваемая группа включает в себя провода следующих марок: TACSR, ZTACSR, KTACSR. К этой же группе принадлежат провода марок ACSS, ACSS/TW, ACSS/AW, ACSS/TW/AW (Тдоп = 200°С), где проволоки ТПЧ (марки АМ) изготовлены из отожжённого алюминия [7]. Поскольку предел прочности при растяжении проволоки марки АМ примерно в 2 раза меньше, чем у проволоки марки АТ, используемой при изготовлении обычных сталеалюминиевых проводов [4], то сердечник должен быть изготовлен из высокопрочной стали марки HS или EHS [17] для обеспечения необходимой прочности провода в целом.

Создание проводов третьей группы (ВТП с малой стрелой провеса) требует применения материалов, характеризующихся пониженными значениями коэффициента линейного температурного расширения kT. Значения kT для различных материалов, используемых при изготовлении проводов ВЛ, даны в табл. 3.

Табл. З. Коэффициент линейного температурного расширения

Анализ данных этой таблицы показывает, что к рассматриваемой группе следует отнести провода марок:
• TACIR, ZTACIR, XTACIR — с сердечником из сплава инвар;
• ACCR — с сердечником из металлокомпозита (рис. 4);
• АCCC — с сердечником из полимеркомпозита [18].

Рис. 4. Структура сердечника из металлокомпозита в проводе марки АССR компании 3М

Использование этих проводов при реконструкции существующих ВЛ с целью повышения их нагрузочной способности позволяет уменьшить стрелы провеса при сохранении длин промежуточных пролётов и высоты промежуточных опор.

Аналогичную цель преследует создание необычной конструкции провода, где ТПЧ и сердечник не контактируют напрямую друг с другом, поскольку разделены зазором (gap), заполненным термостойкой консистентной смазкой (рис. 5). Это провода марок GTACSR и GZTACSR.

Рис. 5. Конструкция проводов марок GTАСSR и GZTАСSR с заполненным термостойкой смазкой зазором между стальным сердечником и токопроводящей частью

Поскольку натяжение таких проводов осуществляется за стальной сердечник (проволоки ТПЧ из сплава Al-Zr растягивающую нагрузку не воспринимают), то величина стрелы провеса будет определяться температурным коэффициентом линейного расширения стали (11,5•10-6•1/°С). Для сравнения укажем, что для обычного сталеалюминиевого провода марки ACSR (в России — марки АС) значение этого коэффициента составляет (19—20)10-6•1/°С.

В качестве примера на рис. 6 представлены зависимости стрелы провеса провода сечением 400 мм2 в пролёте длиной 300 м от его температуры для четырёх марок проводов: ACSR (Тдоп = 90°С), GTACSR (Тдоп = 150°С), ZTACIR и GZTACSR (Тдоп = 210°С).

Из сопоставления этих зависимостей следует, что стрелы провеса провода марки GTACSR при температуре 150°С и провода марки ZTACIR при 210°С практически такие же, как и у провода марки ACSR при 90°С. Это означает, что при замене обычного сталеалюминиевого провода на ВТП может быть достигнуто существенное увеличение нагрузочной способности ВЛ.

Рис. 6. Сопоставление стрел провеса проводов марок АСSR, ZTACIR, G(Z)TАСSR c сечениями 400 мм2
в промежуточном пролёте длиной 300 м при изменении температуры провода

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заканчивая обзор существующих сегодня конструкций проводов ВЛ, хотелось бы подчеркнуть, что мы умышленно не касались сопоставления их технических достоинств и недостатков, и прежде всего степени повышения пропускной способности линии по условиям допустимого нагрева проводов в стационарном режиме. Это тема отдельного исследования, опосредствованного необходимостью вариации многочисленных влияющих факторов.

Не следует забывать, что ограничение передаваемой мощности по условиям допустимого нагрева проводов является активным лишь для относительно коротких ВЛ. Для протяжённых линий межсистемных связей сверхвысокого напряжения на первый план выступает ограничение передаваемой мощности условиями сохранения статической устойчивости параллельной работы объединяемых линией систем. При этом отпадает необходимость увеличения нагрузочной способности линии по условиям допустимого нагрева проводов.

Однако если последняя задача всё же является актуальной, то перед проектировщиком встаёт задача выбора оптимального варианта из числа конкурентоспособных по техническим показателям [19]. В посвящённой этому вопросу статье [20] предлагается «Методика экономического обоснования применения в электрических сетях проводов с повышенной пропускной способностью». В приведённом примере использования проводов марок ACCR или Aero-Z при реконструкции семи ВЛ 110 кВ, работающих в сети 330-220-110 кВ, рассматривается двукратный рост нагрузок в течение 5 лет, в результате чего указанные семь ВЛ работали бы с перегрузкой по току от 2 до 52%.

Оценка эффективности их реконструкции выполнена автором на основе «статической технико-экономической модели», то есть без учёта дисконтирования затрат за определённый расчётный период. Несмотря на то что такой подход нельзя считать адекватным современной методике проектирования [21], нельзя не согласиться с выводом автора о том, что «применение высокотемпературных композитных проводов для повышения надёжности и пропускной способности электрических сетей 220-110 кВ не всегда однозначно даёт положительный эффект и требует серьёзных технико-экономических обоснований».

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев Б.А. Оценка нагрузочной способности воздушных линий и методы её повышения // Энергоэксперт, 2010, № 4, с. 80-83.
2. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Кро-хин А.Ю. Инновационные провода для воздушных линий электропередачи. Часть 1 // КАБЕЛЬ-news, 2010, № 4, с. 66-68.
3. Алексеев Б.А. Повышение пропускной способности воздушных линий электропередачи и применение проводов новых марок // ЭЛЕКТРО, 2009, № 3, с. 45-50.
4. ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1980.
5. Электротехнический справочник: в 4 томах, т.3. Производство, передача и распределение электрической энергии. — 8-е изд. — М.: Издательство МЭИ, 2002 (Раздел 50. Конструкции воздушных линий электропередачи).
6. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Кро-хин А.Ю. Инновационные провода для воздушных линий электропередачи. Часть 3 // КАБЕЛЬ-news, 2011, № 2, с. 52-54.
7. Френкель В. Высокотемпературные провода с малой стрелой провеса // Энергоэксперт, 2010, № 4, с. 66-68.
8. Щеглов Н. Современные подходы к совершенствованию и развитию воздушных линий электропередачи // Энерго-info, 2010, № 10, с. 66-69.
9. Кувшинов А. Инновационные конструкции для высоковольтных линий электропередачи // КАБЕЛЬ-news, 2012, № 2, с. 30-32.
10. Номенклатурный каталог завода «ЭМ-КАБЕЛЬ» // Материалы выставки Cabex 2012.
11. Соколов С. Провод конструкции GTACSR повышает пропускную способность ВЛ // Новости электротехники, 2005, № 5, с. 80-81.
12. Котов Р. Сравнение технологий производства композитных проводов // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2013, № 1, с. 46-47.
13. Ермаков А. Передача энергии по высокотехнологичным проводам // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2012, № 5, с. 54-55.
14. Кошиц И., Светиков Ю. Повышение надёжности проводов и грозотросов ЛЭП // КАБЕЛЬ-news, 2011, № 1, с. 56-65.
15. Шувалов М.Ю. Инновации кабельной промышленности в электроэнергетике // КАБЕЛЬ-news, 2012, № 4, с. 38-44.
16. Костиков И.С., Горожанин М.А. Эффективные решения в сфере передачи и распределения энергии // Энергоэксперт, 2010, № 5, с. 84-85.
17. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Крохин А.Ю. Инновационные провода для воздушных линий электропередачи. Часть 2 // КАБЕЛЬ-news, 2010, № 6-7, с. 48-51.
18. Группа компаний «Сим-Росс» — энергоэффективные провода для российской электроэнергетики // КАБЕЛЬ-news, 2012, № 4, с. 24-27.
19. Зуев Э.Н. Техника передачи электроэнергии: проблемы развития // КАБЕЛЬ-news, 2010, № 4, с. 40-52.
20. Непомнящий В.А. Оценка эффективности использования в электрических сетях проводов с повышенной пропускной способностью // Энергоэксперт, 2011, № 3, с. 38-44.
21. Справочник по проектированию электрических сетей // Под ред. Д.Л. Файбисовича. — 4-е изд. — М.: ЭНАС, 2012.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно