Неизолированные провода воздушных линий электропередачи: проблема выбора (аналитический обзор)
 
Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Неизолированные провода воздушных линий электропередачи: проблема выбора (аналитический обзор)

08.04.2015
Рубрика: Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Обсуждают на форуме (16)

Собственная информация RusCable.Ru

11754 просмотра

Технический прогресс в электроэнергетике в целом и в электросетевом комплексе в частности выдвигает перед менеджментом, проектировщиками и эксплуатационниками требование освоения тех инновационных решений, которые предлагаются передовыми в научно-техническом отношении зарубежными и отечественными компаниями. Не в меньшей степени это требование касается и сферы подготовки квалифицированных инженерных кадров в вузах соответствующего профиля. К сожалению, информация о таких решениях рассредоточена по Интернет-сайтам соответствующих компаний и публикациям в научно-технических журналах. В настоящей статье делается попытка систематизации обширной зарубежной и отечественной информации в сфере разработки нетрадиционных конструкций проводов для высоковольтных воздушных линий электропередачи.

Содержание

В чем суть проблемы?
Классификация по конструктивным признакам
Классификация по уровню термостойкости
Зарубежная продукция на российском рынке
Отечественные разработки
Выводы
Список литературы

В чем суть проблемы?

Не поленитесь представить себя в роли студента Института Электроэнергетики НИУ МЭИ, которому дано задание спроектировать воздушную линию электропередачи от некоторого источника питания (электростанция, системная подстанция) до пункта потребления, находящегося на расстоянии L от источника питания. Пусть нашему эквивалентному потребителю необходимо передать по проектируемой воздушной линии (ВЛ) наибольшую активную мощность Pнб. Эти два показателя (Pнб и L) являются основными исходными данными для проектирования ВЛ. Для решения задачи нам в первую очередь необходимо произвести выбор следующих параметров:

  • номинального напряжения (Uном),
  • числа параллельных цепей (nц),
  • сечения токопроводящей части проводов (Fтпч).

Не останавливаясь здесь на методических вопросах выбора этих взаимосвязанных параметров, достаточно полно изложенных в учебной литературе [1], отметим только, что в современный период при проектировании часто возникает необходимость рассмотрения возможности увеличения пропускной способности линии. Напомним хорошо известное положение, что под пропускной способностью линии электропередачи любой конструкции (как воздушной, так и кабельной) понимается либо величина активной мощности, допустимой по условиям нагрева токоведущих элементов (проводов, жил кабелей) в режиме максимального перетока (Pдоп), либо величина предельной по условиям статической устойчивости передаваемой мощности (Pпред), зависящей от длины линии L.

Как доказано в [1], ограничение передаваемой по линии мощности по условиям статической устойчивости становится активным примерно при L = 370 км, а при меньших длинах превалирует ограничение по условиям нагрева, то есть Pдоп < Pпред. Протяженность ВЛ 35–220 кВ в ЕНЭС России составляет около 90% от суммарной. Реальные длины линий этих номинальных напряжений в подавляющем большинстве случаев не превышают 370 км, поэтому под их пропускной способностью понимается величина Pдоп или соответствующая ей величина полной мощности Sдоп = √3Uном Iдоп. Очевидно, при заданном значении Uном можно говорить о пропускной способности по току (Iдоп), что обычно и применяют при сопоставлении вариантов ВЛ одного номинального напряжения. Величина Iдоп при прочих равных условиях тем больше, чем выше допустимая температура нагрева провода (Тдоп).

Напомним также, что до недавнего времени выбор сечения токопроводящей части (ТПЧ) проводов ВЛ с Uном ≤ 220 кВ в соответствии с «Правилами устройства электроустановок» [2] предписывалось производить по нормированным значениям экономической плотности тока из диапазона значений от Fмин до Fмакс применительно к стандартной номенклатуре сталеалюминиевых проводов марки АС, установленной в ГОСТ 839-80 [3]. При этом не исключены случаи, когда при выбранных Uном и nц даже при Fтпч = Fмакс пропускная способность оказывается недостаточной, то есть условие PдопPнб не выполняется. В этом случае приходится искать варианты, удовлетворяющие этому условию, среди нестандартных, нетрадиционных способов решения задачи. Конечно, при этом не следует забывать и о необходимости обеспечения требуемой степени надежности электроснабжения потребителей, а также об экономической эффективности таких решений.

Одним из таких способов является применение проводов, обладающих более высокой нагревостойкостью по сравнению с проводами марки АС. Использование таких нетрадиционных типов проводов позволяет достигнуть повышения (в 1,6–3 раза) длительно допустимой по условиям их нагрева передаваемой по ВЛ мощности за счет увеличенной допустимой температуры провода [4]. За такими проводами в современной технической литературе закрепилось название «высокотемпературные» (ВТП), хотя сами по себе эти температуры не слишком высоки (не более 250°C). Просто они отличаются в большую сторону от значения Тдоп для традиционных сталеалюминиевых проводов марки АС, для которых оно составляет 90°C, а в качестве расчетного значения для определения Iдоп принимается 70°C.

Еще 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» [5].

Проводниковые материалы, из которых изготавливаются провода воздушных линий электропередачи, т.е. их главные элементы, должны удовлетворять ряду технических и экономических требований. Прежде всего они должны обладать невысоким удельным электрическим сопротивлением (ρ), чтобы потери активной мощности на нагрев проводов и потери напряжения в линии при прочих равных условиях были по возможности минимальны.

Плотность этих материалов (γ) также не должна быть высокой, поскольку при заданном поперечном сечении проводника F она определяет удельную нагрузку от собственного веса провода. Еще одним требованием является высокая механическая прочность, оцениваемая по пределу прочности на разрыв (σразр). Немаловажным показателем является и значение температурного коэффициента линейного расширения (kT), от величины которого зависит величина наибольшей стрелы провеса провода. Как уже было сказано выше, весьма важным свойством является степень нагревостойкости материала, определяемая допустимым значением рабочей температуры провода (Тдоп).

Одновременно, проводниковый материал должен обладать стойкостью к атмосферным воздействиям и химическим реагентам, находящимся в воздухе. Наконец, этот материал не должен быть дефицитным и дорогим, чтобы стоимость воздушных линий была бы приемлемой при их массовом строительстве.

Различные материалы в разной степени удовлетворяют этому набору требований, и среди них не существует такого, который был бы вне конкуренции по всем показателям. В настоящее время в практике сооружения ВЛ используются такие материалы, как медь, алюминий и его сплавы, а также сталь. В табл.1 представлены их характеристики, упомянутые выше, за исключением kT и Тдоп, о которых речь будет позже.

Таблица 1. Свойства материалов, используемых для изготовления проводов ВЛ

Материал ρ, Ом•мм2/км γ, кг/м3 σразр, МПа
Медь 17,8—18,5 8700 390
Алюминий 30,0—32,5 2750 160
Сплав АВ-Е 30,0—32,5 2790 300
Сталь 7850 1200

Из сопоставления данных табл.1 следует, что удельное электрическое сопротивление алюминия больше, чем меди примерно на 65% ал ≈ 1,65ρм), по массе он примерно в 3 раза легче меди ал0,3γм), а по прочности — в 2,5 раза хуже разр.ал ≈ 0,4σразр.м). Отечественный термообработанный сплав АВ-Е, содержащий около 2% присадок магния, кремния и железа, по сравнению с чистым алюминием при примерно одинаковых плотности и электрическом сопротивлении имеет существенно более высокую прочность, которая лишь на 23% меньше, чем у меди. Медь является достаточно дефицитным и дорогим металлом, поэтому современная техника в основном базируется на применении проводов ВЛ из алюминия и его сплавов.

Номенклатура проводов новых конструкций, выпускаемых зарубежными компаниями (3M, Nexans, General Cable, J-Power Systems, VISCAS, Southwire, Lamifil, Lumpi-Berndorf и др.), а также отечественными заводами (Кирскабель, ЭМ-КАБЕЛЬ и др.) достаточно разнообразна и насчитывает вместе с модификациями около двух десятков наименований [6]. К сожалению, проектировщику, перед которым стоит задача выбора марки провода, адекватной исходным техническим условиям, не просто сориентироваться в обилии публикаций, почти в каждой из которых 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, систематизировано излагающего тему «Современные провода ВЛ». В связи с этим далее рассматривается классификация неизолированных проводов «нового поколения» по двум группам признаков.

Классификация по конструктивным признакам

В первую очередь следует рассмотреть группу из четырех конструктивных признаков, к числу которых относятся компонентная структура провода, форма и материал проволок токопроводящей части (ТПЧ) и материал сердечника. В табл.2 по каждому признаку выделены разновидности соответствующих характеристик, а также возможные варианты их реализации с указанием отличительных символов, присутствующих в марках проводов.

Таблица 2. Классификация проводов ВЛ по конструктивным признакам [6]

Признак Разновидности Варианты Символы
1 Компонентная структура 1.1.монометаллический 1.1.1. алюминий А
1.1.2. алюминиевый сплав ААА
1.2. биметалллический 1.2.1. без зазора по умолчанию
1.2.2. с зазором G (gap)
1.3. металл + композит см. здесь п. 4.3 --------
2 Форма проволок
токопроводящей части
2.1. круглая 2.1.1. одного диаметра по умолчанию
2.1.2. разного диаметра нет
2.2. трапецеидальная нет TW
2.3. Z-образная нет Z
2.4. стреловидная нет нет
3 Материал проволок
токопроводящей части
3.1. алюминий 3.1.1. электротехнический (АТ) А
3.1.2. мягкий (АМ) ACSS
3.2. алюминиевый сплав 3.2.1. АВ-Е [Al + 2%(Mg+Si+Fe)] AA
3.2.2. TAL, ZTAL, XTAL, KTAL (Al-Zr) T, ZT, XT, KT
4 Материал сердечника 4.1. сталь с покрытием 4.1.1. гальваническим (оцинкованная) по умолчанию
4.1.2. мишметаллом – сплав 95% Zn +5% Al нет
4.1.3. алюминием AW (ACS)
4.2. сплав 4.2.1. алюминий - цирконий нет
4.2.2. железоникелевый (инвар) I
4.3. композит 4.3.1. с металлической матрицей (Al, Al2O3) CR
4.3.2. с полимерной матрицей CC

В соответствии с первым признаком («Компонентная структура»), выделяются три разновидности. Монометаллические провода изготавливают из алюминия или его сплавов. Алюминиевые провода не обладают достаточной механической прочностью и поэтому применяются при Uном ≤ 35 кВ. Биметаллические провода, как правило, имеют стальной сердечник и ТПЧ из алюминия или его сплавов (см. третий признак в табл.1). Новинкой здесь выступают провода с сердечником из композитных материалов (позиция 1.3).

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

Нестандартные формы проволок  токопроводящей части провода

Рис.1. Нестандартные формы проволок токопроводящей части провода:
а – трапецеидальная; б – Z-образная; в – стреловидная.

Следующие два признака классификации по конструктивным признакам касаются материалов, из которых изготовлены проволоки ТПЧ и сердечник. В первом случае нетрадиционными решениями являются применение мягкого (отожженного) алюминия (позиция 3.1.2) и сплавов алюминия с цирконием (позиция 3.2.2). О свойствах этих материалов пойдет речь ниже при рассмотрении классификации по уровню термостойкости.

Наибольшим разнообразием вариантов отличается четвертый признак («Материал сердечника»). Во-первых, в современных конструкциях стальные проволоки имеют покрытия из различных материалов (см. позицию 4.1.), причем наряду со стандартным гальваническим покрытием («оцинковкой») начали использоваться и покрытия сплавом цинка с алюминием («мишметаллом») или чистым алюминием. В последнем случае употребляют термин «плакирование алюминием».

В соответствии с позицией 4.2 наряду с уже упоминавшимися сплавами «алюминий - цирконий» (Al-Zr) применяется железоникелевый сплав («инвар»), обладающий достаточно низким коэффициентом температурного расширения. Композитные сердечники различаются по своей структуре (см. позиции 4.3.1 и 4.3.2). Более подробно речь о них будет идти при рассмотрении группы конструкций, характеризующихся малой стрелой провеса.

Классификация по уровню термостойкости

В этой классификации выделяются три группы проводов [7]:

Группа 1. Компактные провода с Тдоп до 90°C
(с ТПЧ из трапецеидальных или Z-образных проволок)

Группа 2. Высокотемпературные провода (ВТП) с ТПЧ

  • из алюминиево-циркониевых сплавов Al-Zr,
  • из отожженного (мягкого) алюминия (марки АМ).

Группа 3. ВТП с малой стрелой провеса с сердечником

  • из железоникелевого сплава («инвар»),
  • из металлокомпозита (Al + Al2O3),
  • из неметаллического (полимерного) композитного материала.

Итак, к первой группе отнесены компактные провода с длительно допустимой температурой нагрева до 90°C. «Компактность» достигается за счет изменения формы проволок ТПЧ с круглой на трапецеидальную или Z-образную (рис.1). При этом, во-первых, увеличивается коэффициент заполнения поперечного сечения. Если для стандартного провода марки АС он составляет 0,61 – 0,67, то для современных компактных проводов он может достигать значения 0,88 [7]. При одинаковом с проводом марки АС сечении компактный провод, очевидно, будет иметь меньший внешний диаметр. Это обстоятельство наряду с практически идеально гладкой поверхностью способствует уменьшению аэродинамической и гололедной нагрузки и снижению вероятности гололедообразования.

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.2). Номенклатура проводов, относящихся к первой группе, дана в табл.3.

Таблица 3. Марки проводов группы 1

Марка Английский термин Русский термин
AAC All Aluminium Conductor Провод полностью из Al проволок
AAAC* All Aluminium Alloy Conductor Провод полностью из проволок из термообработанного сплава АВ-Е (A3F)
AAAC Z AAAC with Z-wires (Aero-Z) То же с двумя внешними повивами из Z-образных проволок
ACSR** Aluminium Conductor Steel Reinforced Сталеалюминиевый провод марки АС
AACSR Z AACSR with Z-wires (Aero-Z) Провод с ТПЧ из алюминиевого сплава со стальным сердечником
ACAR Aluminium Conductor Alloy Reinforced Провод из Al проволок с сердечником из термообработанного сплава АВ-Е

Примечания к табл. 3:
* С модификацией AAAC/TW – ТПЧ с трапецеидальными проволоками
** С модификациями ACSR/TW и ACSR/AW (где AW или ACS – Aluminium Clad Steel Wire – стальная проволока, плакированная алюминием)

Ограничение температуры нагрева величиной 90°C связано с тем, что применяемый для изготовления проволок алюминий марки АТ, характеризующийся значениями σразр = 160 – 200 МПа (в зависимости от диаметра проволоки), при более высоких температурах довольно резко снижает свою механическую прочность (см. рис.2). Именно это обстоятельство обусловило разработку конструкций проводов с ТПЧ из материалов, лишенных этого недостатка. Они объединены во вторую группу.

Зависимости предела прочности на разрыв от температуры для алюминия марки АТ и для сплава ZTAL

Рис.2. Зависимости предела прочности на разрыв (σразр) от температуры
для алюминия марки АТ
(сплошная синяя линия) и для сплава ZTAL (красная штриховая линия)

Вторая группа 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 4 наименования, а именно TAL, ZTAL, XTAL и KTAL [6]. В табл.4 даны их названия с использованием аббревиатуры TRAA (Thermal Resistant Aluminium Alloy – Термостойкий алюминиевый сплав) и соответствующие значения длительно допустимых рабочих температур.

Таблица 4. Разновидности сплавов Al-Zr

Марка Название Тдоп,°C
1 TAL TRAA 150
2 ZTAL Ultra TRAA 210
3 XTAL Extra TRAA 230
4 KTAL High Strength TRAA 150

Последняя модификация (KTAL) имеет такую же нагревостойкость, как и у сплава TAL (150°C), но отличается от него более высокой прочностью.

Номенклатура проводов, относящихся ко второй группе, дана в табл.5.

Таблица 5. Марки проводов группы 2

Марка Английский термин Русский термин
TACSR Thermal Resistant Aluminium Alloy (TRAA) Conductor Steel Reinforced Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL)
со стальным сердечником
ZTACSR Ultra TRAA Conductor Steel Reinforced То же, но из сплава ZTAL
KTACSR High Strength TRAA Conductor Steel Reinforced То же, но из сплава KTAL (высокой прочности)
ACSS* Aluminium Conductor Steel Supported Провод с проволоками из отожженного Al с сердечником
из высокопрочной стали

* С модификациями ACSS/TW, ACSS/AW и ACSS/TW/AW

Применение сплавов Al-Zr вместо обычного алюминия обеспечивает сохранение механических и электрических характеристик ТПЧ при нагреве до 150 – 230°C. При этом значительно (в 2 – 3 раза) возрастает пропускная способность ВЛ по условиям допустимого нагрева по сравнению с применением стандартных проводов марки АС. В качестве примера на рис.2 представлена зависимость σразр = f(T) для сплава ZTAL, которая показывает, что предел прочности на разрыв при росте температуры с 20 до 210°C снижается только на 22%, тогда как прочность алюминия падает на 80%.

В последней строке табл.5 фигурируют провода семейства ACSS, где проволоки ТПЧ изготовлены из отожженного алюминия (марки АМ), для которого Тдоп = 200°C. Однако, поскольку предел прочности при растяжении проволоки марки АМ примерно в 2 раза меньше, чем у проволоки марки АТ, используемой при изготовлении обычных сталеалюминиевых проводов [3], то сердечник должен быть изготовлен из высокопрочной стали марки HS или EHS для обеспечения необходимой прочности провода в целом.

Создание проводов третьей группы (ВТП с малой стрелой провеса) [5] требует применения материалов, характеризующихся пониженными значениями температурного коэффициента линейного расширения (kT). Значения kT для различных материалов, используемых при изготовлении проводов ВЛ, даны в табл.6.

Таблица 6. Температурный коэффициент линейного расширения

Материал kT, 10-6/°C
1 Алюминий, сплав АВ-Е 23,0
2 Высокопрочная сталь марки EST 11,5
3 Металлокомпозит (Al + Al2O3) 6,0
4 Железоникелевый сплав (Invar) 3,7
5 Полимеркомпозит [7] 1,6

Как уже было отмечено выше, среди проводов, входящих в третью группу, следует выделить три подгруппы:

  • 3А – ВТП с сердечником из сплава Invar;
  • 3Б – ВТП с композитным сердечником;
  • 3В – ВТП с зазором между ТПЧ и сердечником.

Перечень марок проводов составляющих первую подгруппу дан в табл.7.

Таблица 7. Марки проводов подгруппы 3A

Марка Английский термин Русский термин
TACIR TRAA Conductor Invar Reinforced Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL)
ZTACIR Ultra TRAA Conductor Invar Reinforced То же, но из сплава ZTAL
XTACIR Extra TRAA Conductor Invar Reinforced То же, но из сплава XTAL

Вторая подгруппа (так называемые «композитные провода») включает марки проводов, имеющих многопроволочный сердечник из металлокомпозита, либо сердечник в виде стержня из неметаллического композитного материала. В первом случае (провод марки ACCR, выпускаемый американской компанией «3М») каждая проволока сердечника из алюминия диаметром от 1,9 до 2,9 мм армирована множеством (числом до 25 тысяч) непрерывных продольных микроволокон из оксида алюминия (Al2O3) [8]. Эти волокна придают материалу сердечника высокую механическую прочность, сравнимую с прочностью стали. Однако масса композитного сердечника в 2 раза меньше стального. Структура такой проволоки представлена на рис.3.

Структура проволок, образующих сердечник из  металлокомпозита

Рис.3. Структура проволок, образующих сердечник из металлокомпозита

Композитные провода второго типа имеют сердечник, выполненный из неметаллического материала, состоящего из матрицы (полимерной, углеродной и др.) и армирующих элементов (углеродное, базальтовое, стекловолокно), обеспечивающих необходимую прочность [9]. Так, провод марки АССС, выпускаемый американской компанией СТС Global Corporation, имеет сердечник в виде стержня из эпоксидного компаунда, армированный высокопрочными карбоновыми нитями, а оставшиеся две марки (см. табл.8), имеющие в аббревиатуре символы CFR и выпускаемые японской фирмой EXSYM, имеют сердечник, скрученный из цилиндрических элементарных стержней, каждая из которых содержит углеродные волокна в матрице из эпоксидного компаунда.

Таблица 8. Марки проводов подгруппы 3Б

Марка Английский термин Русский термин
ACCR TRAA Conductor Composite Reinforced Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL) с сердечником из металлокомпозита (Al + Al2O3)
ACCC Aluminium Conductor Composite Core Провод с проволоками из отожженного Al с сердечником из полимеркомпозита
ACCFR Aluminium Conductor Carbon Fiber Reinforced Провод с проволоками из Al с композитным сердечником из углеродных волокон
TACCFR TRAA Conductor Carbon Fiber Reinforced Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL) с сердечником из углеродных волокон

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

Аналогичную цель преследует создание необычной конструкции провода, где ТПЧ с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL или ZTAL) и сердечник не контактируют напрямую друг с другом, поскольку разделены зазором («gap»), заполненным тугоплавкой консистентной смазкой (рис.4) [10]. Это провода марок GTACSR и GZTACSR (см. табл.9).

Конструкция провода марки GTACSR

Рис.4. Конструкция провода марки GTACSR (с зазором между ТПЧ и стальным сердечником)

Такая конструкция обеспечивает скольжение алюминиевых слоев относительно стального сердечника, что позволяет осуществлять фиксацию последнего в специальных зажимах и исключить при этом натяжение ТПЧ. При этом провес провода будет определяться температурным коэффициентом линейного удлинения стали (см. табл.6). Для сравнения укажем, что для обычного сталеалюминиевого провода марки АС значение этого коэффициента почти в 2 раза выше (19 – 20 • 10-6 • 1/°C).

Таблица 9. Марки проводов подгруппы 3В (с зазором между ТПЧ и сердечником)

Марка Английский термин Русский термин
GTACSR Gap-Type TRAA Conductor Steel Reinforced Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL) со стальным сердечником с зазором
GZTACSR Gap-Type Ultra TRAA Conductor Steel Reinforced То же, но из сплава ZTAL

Зарубежная продукция на российском рынке

Как при проектировании вновь сооружаемых ВЛ, так и при решении задачи реконструкции существующей ВЛ с целью увеличения ее пропускной способности перед проектировщиками и инвесторами встает проблема выбора технического решения, адекватного поставленной задаче. Как уже упоминалось, спектр предлагаемых зарубежными компаниями и отечественными производителями инновационных конструкций проводов весьма разнообразен. Так, среди зарубежных фирм, продукция которых аттестована Межведомственной комиссией ОАО «ФСК ЕЭС» для применения в ЕНЭС России, выделяются следующие [11]:

  • Бельгийская компания «Nexans» (NX) с проводами торговой марки Aero-Z (AAAC Z и AACSR Z);
  • Австрийская компания «Lumpi−Berndorf» (L-B) с проводами марок TACSR/ACS (с сердечником из стальной проволоки, плакированной алюминием) и (Z)TACSR/HICIN (с сердечником из сплава Invar);
  • Японская компания «J−Power Systems» (JPS) с проводами марок G(Z)TACSR, имеющими зазор между ТПЧ и стальным сердечником;
  • Компания «3М» (США) с проводами марки ACCR (с сердечником из металлокомпозита).

В табл.10 приведены технические характеристики (сечения ТПЧ FТПЧ и сердечника Fс, длительно допустимая температура Тдоп, внешний диаметр провода Dпр, масса 1 км провода Мпр.0, допустимый по условиям нагрева в стационарном режиме ток Iдоп, стрела провеса провода при допустимой температуре fпр), а также относительные значения стоимости 1 км провода (С0). Технико-экономическое сопоставление выполнено в [11] на примере ВЛ 220 кВ с длиной промежуточного пролета 360 метров в ценах на январь 2009 года.

Таблица 10. Сравнительные характеристики проводов марки АС и проводов зарубежных производителей [11]

N Фирма Марка FТПЧ/Fс, мм2/мм2 Тдоп, °C Dпр, мм Мпр.0, кг/км Iдоп, А/о.е. С0, о.е. fпр, м
1 Заводы РФ АС 240/39 90 21,6 952 480/1,0 1,0 10,1
2 Nexans АААС Z 366/00 90 23,1 1040 770/1,6 7.9 9,9
3 L-B TACSR/ACS 212/49 150 21,0 914 870/1,8 3,6 11,6
4 JPS GTACSR 217/49 150 20,3 1015 840/1,7 6,0 9,1
5 3M ACCR 238/39 210 21,6 793 1210/2,5 13,0 9,9

Сопоставление удельных масс проводов (Мпр.0) показывает неоспоримое преимущество провода марки ACCR компании «3М» за счет того, что он имеет не стальной а металлокомпозитный сердечник. Такие провода характеризуются и наивысшей пропускной способностью, которая в 2,5 раза больше, чем у провода марки АС, тогда как остальные рассматриваемые провода (позиции 2 – 4) дают увеличение Iдоп на 60 – 80%. Однако провод марки ACCR значительно (в 13 раз) дороже провода марки АС, хотя и провода остальных зарубежных производителей также не могут конкурировать по стоимости с обычными сталеалюминиевыми проводами.

Вместе с тем, стоимость проводов составляет лишь определенную долю в общей стоимости сооружения ВЛ (К0, тыс.руб./км). Наибольшую долю в ней занимает стоимость опор и фундаментов. Если учесть это обстоятельство, то различие в стоимостях сооружения ВЛ с проводами марки АС и с проводами повышенной пропускной способности оказывается не столь значительным. Так, например, на основе составленной в [12] технико-экономической модели одноцепной ВЛ 110 кВ с проводами АС 240/39 и АААС-243 получено, что при степени удорожания провода от 1,5 до 6 раз значения К0 соответственно возрастают в 1,1 – 1,6 раза.

Тем не менее, в соответствии с п.2.4.5 «Положения ОАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе», утвержденного Советом директоров 23.10.2013 г., на строящихся ВЛ 220 кВ и выше следует применять, как правило, стандартные сталеалюминиевые провода, а современные провода с повышенной пропускной способностью применять лишь в обоснованных случаях [13].

К числу таких случаев следует отнести в первую очередь необходимость увеличения пропускной способности существующих ВЛ за счет замены проводов марки АС при их реконструкции. Такая же необходимость может быть выявлена и при проектировании новых ВЛ. В качестве конкурирующих вариантов инновационные конструкции проводов следует рассматривать при сооружении новых линий в районах с интенсивным гололедообразованием и повышенной ветровой нагрузкой, а также при прохождении трассы ВЛ по селитебной территории, где требуется обеспечить увеличенные габариты линии до земли за счет уменьшенной стрелы провеса провода. Наконец, практически важной областью применения проводов с повышенными механическими характеристиками и малой стрелой провеса является сооружение так называемых «больших переходов» через водные преграды, горные ущелья и т.п.

В качестве одного из примеров последнего применения приведем оптимизационное решение при сооружении перехода двухцепной ВЛ 220 кВ через Камское водохранилище с длиной полета 1480 м [14]. В первом проектном варианте с проводами специального усиленного исполнения марки АС 500/336 (рис.5,а) высота каждой из двух «переходных» опор составила 154 метра, а ее вес 410 тонн. При этом стрела провеса провода достигала 140 метров. Второй вариант (рис.5,б) предусматривал применение проводов, выпускаемых компанией L-B, марки TACSR/ACS с сечением ТПЧ 521 мм2, что позволило снизить высоту опор до 104,4 метра, вес – до 154,4 тонн, а стрелу провеса – до 86 метров.

Варианты перехода двухцепной  ВЛ 220 кВ через Камское водохранилище

Рис.5. Варианты перехода двухцепной ВЛ 220 кВ через Камское водохранилище:
а) с проводами марки АС500/336;
б) с проводами компании «Lumpi-Berndorf» марки TACSR/ACS с сечением ТПЧ 521 мм2.

Отечественные разработки и изделия

Успешный опыт применения инновационных конструкций проводов ВЛ в последнее десятилетие как за рубежом, так и на территории Российской Федерации [14] оказался стимулирующим фактором для разработки аналогичных отечественных конструкций. Как отмечено в [15], «в настоящий момент в нашей стране отсутствует нормативно-технический документ, устанавливающий технические требования к проводам такого типа». Это касается и их маркировки –российские производители наряду с некоторыми из приведенных в таблицах 2 – 8 маркировок на латинице используют и различные обозначения на кириллице, причем редко можно найти толкование тех или иных символов, образующих марку провода.

К числу отечественных производителей, освоивших выпуск проводов нового поколения, относятся:

  • завод «Сим-Росс – Ламифил» (г. Углич, Ярославской области), являющийся совместным российско-бельгийским предприятием, введенным в эксплуатацию в сентябре 2012 г. [16];
  • входящий в группу компаний «Оптикэнерго» завод ООО «ЭМ-КАБЕЛЬ» (г. Саранск, Республика Мордовия), введенный в эксплуатацию в марте 2010 г. [17];
  • входящий в холдинг ООО «ТД «Ункомтех» завод ОАО «Кирскабель» (г. Кирс, Кировской области) [18];
  • опытно-конструкторское предприятие ООО «ОКП «ЭЛКА-Кабель» (г. Пермь, Пермский край), входящее в ООО «НПК «Энергия» в партнерстве с ОАО «Камский кабель» [19];
  • завод ОАО «Северсталь-Метиз» (г. Череповец, Вологодской области), выпускающий пластически обжатые конструкции проводов, разработанные ООО «Энергосервис» [20].

В соответствии с утвержденными в 2012 г. техническими условиями (ТУ 3511-001-40914170-2012) в [19] приведена номенклатура серии компактных неизолированных проводов, насчитывающая 8 марок. Отличительной особенностью всех 8 конструкций является наличие пластически обжатого стального оцинкованного сердечника, что и обеспечивает более высокую компактность (меньший внешний диаметр) провода в целом по сравнению с проводом, имеющим обычный сердечник из круглых проволок. Среди этих 8 конструкций выделяются две подгруппы, отличающиеся прежде всего значениями допустимой рабочей температуры (Тдоп).

Первая подгруппа включает в себя четыре марки (АС, АСУ, АСКП, АСКПУ), у которых ТПЧ выполнена из повивов круглых алюминиевых проволок без уплотнения (марки АС и АСКП), либо уплотненных (символ «У» в марке) после каждого повива (марки АСУ и АСКПУ). В результате уплотнения проволоки, формирующие ТПЧ, принимают трапецеидальную форму. Для этих четырех марок Тдоп = 90°C, то есть в рассмотренной выше классификации по уровню термостойкости они должны быть отнесены к группе 1. Символы «КП», видимо, заимствованы из ГОСТ 839-80, где они обозначают «коррозионно-стойкий» (символ «К») провод, в котором межпроволочное пространство всего провода (символ «П») заполнено электропроводной смазкой. Поперечные сечения проводов данной подгруппы показаны на рис. 6.

Поперечные  сечения проводов серии ELKALINE

Рис. 6. Поперечные сечения проводов серии ELKALINE:
а – марки АС, АСТ; б – марки АСУ, АСТУ; в – марки АСКП, АСКПТ; г – марки АСКПУ, АСКПТУ.

Вторая подгруппа объединяет оставшиеся 4 марки (АСТ, АСТУ, АСКПТ, АСКПТУ), в которых присутствует символ «Т», означающий, что материалом проволок ТПЧ является термостойкий алюминиевый сплав с Тдоп = 210°C, зарубежным аналогом которого является сплав ZTAL (см. табл. 4). Таким образом, по уровню термостойкости провода второй подгруппы должны быть отнесены к категории высокотемпературных (ВТП). Остальные символы имеют тот же смысл, что и в марках первой подгруппы. Поперечные сечения проводов второй подгруппы не отличаются от показанных на рис. 6.

Аналогичное решение по компактизации провода предложено ООО «Энергосервис» [20]. Оно состоит в пластическом обжатии после свивки не только проволок стального сердечника, но и повивов ТПЧ. Предлагаемые две марки проводов (АСВП, АСВТ), выпускаемые ОАО «Северсталь-Метиз», позиционируются как провода высокой прочности (символы «ВП») и высокой термостойкости (символы «ВТ»). По сравнению со стандартными сталеалюминиевыми проводами марки АС того же диаметра обе эти марки характеризуются в полтора раза более высоким разрывным усилием, а провод марки АСВТ – двукратным увеличением допустимого по условиям нагрева тока.

Пожалуй, наиболее широко разрекламированы изделия завода «Кирскабель» [18]. Во-первых, это высокотемпературный провод марки АСТ с ТПЧ из сплава Al-Zr (Тдоп = 210°C) и со стальным сердечником, проволоки которого имеют цинкоалюминиевое покрытие (см. п.4.1.2 в табл.2), выпускаемый в соответствии с ТУ 16.К03-49-2009 с диапазоном сечений ТПЧ от 70 до 800 мм2. По данным разработчиков такой провод обеспечивает полуторократное увеличение допустимого по условиям нагрева тока.

Второй широко известной разработкой холдинга «Ункомтех», в состав которого входит завод «Кирскабель», является компактированный (символ «к» в марке) провод с усиленным (символ «у» в марке) стальным сердечником, маркируемый как АСк2у. Компактность достигается за счет того, что ТПЧ такого провода образована несколькими концентрическими повивами трапецеидальных алюминиевых проволок. По сравнению с традиционным проводом марки АС с такой же площадью поперечного сечения ТПЧ внешний диаметр провода марки АСк2у примерно на 10% меньше, что способствует уменьшению аэродинамической и гололедной нагрузки. Сердечник такого провода аналогично проводу марки АСТ состоит из высокопрочных стальных круглых проволок с цинкоалюминиевым покрытием, что обеспечивает увеличение механической прочности провода в целом примерно на 20% по сравнению с проводами марки АС того же сечения. Провода АСк2у выпускаются в соответствии с ТУ 16.К03-53-2012 с сечениями ТПЧ от 240 до 500 мм2.

В 2014 году появилась информация о том, что завод ОАО «Кирскабель» стал официальным партнером упомянутой выше американской компании CTC Global Corporation по производству неизолированных проводов марки АССС с композитным сердечником [21]. Этот провод относится к категории ВТП с малой стрелой провеса (см. табл. 8). Его ТПЧ образована повивами трапецеидальных проволок из отожжённого алюминия (Тдоп = 200°C). Общий вид провода представлен на рис.7. Прочность композитного сердечника на 25% выше, чем у стального, а вес на 60% меньше, что существенно снижает вес провода в целом. Вдобавок он характеризуется минимальным значением температурного коэффициента линейного расширения (см. табл.6).

Высокотемпературный  провод марки АССС с композитным сердечником

Рис.7. Высокотемпературный провод марки АССС с композитным сердечником

ООО «ЭМ-КАБЕЛЬ» вышел на российский рынок с высокотемпературными проводами марок АСПТ, АСПТк и АСПТз, выпускаемыми в соответствии с ТУ 3511-005-63976268-2010. Отличительной особенностью всех трех конструкций является наличие стального сердечника из стальных проволок, плакированных алюминием (см. позицию 4.1.3 в табл.2). Символ «Т»в марках символизирует то, что ТПЧ образована проволоками из термостойкого сплава Al-Zr любой из трех разновидностей (TAL, ZTAL, XTAL), температурные характеристики которых представлены в табл.4. Символ «к» во второй марке относит провод к категории компактированных, поскольку повивы ТПЧ выполнены из трапецеидальных проволок. Символ «з» в третьей марке означает наличие зазора между сердечником и ТПЧ, то есть данный провод является аналогом проводов марок GTACSR и GZTACSR (см. табл.9 и рис.4).

Наконец, последний из перечисленных выше отечественных производителей проводов «нового поколения» Угличский завод «Сим-Росс - Ламифил» начал свою деятельность с выпуска проводов марок AAAC Z и AACSR Z, где два внешних повива ТПЧ выполнены из Z-образных проволок из алюминиевого сплава с Тдоп = 90°C (см. табл.3). Различие этих двух марок лишь в материале сердечника – в проводе AAAC Z это тот же алюминиевый сплав, что и для ТПЧ, а в проводе AACSR сердечник стальной. На следующем этапе планировалось перейти к выпуску проводов марок GTACSR (с зазором) и АССС (с композитным сердечником) [16].

Таким образом, отечественная кабельная промышленность в настоящее время располагает достаточным производственным потенциалом для выпуска инновационных конструкций проводов для воздушных линий высокого напряжения, причем уже освоенные марки проводов принадлежат ко всем трем группам классификации по термостойкости, включая ВТП с малой стрелой провеса (HTLS). Осталось определить области экономически целесообразного применения различных конструкций в соответствии с критерием минимума дисконтированных затрат на сооружение и эксплуатацию линии электропередачи.

Когда данная статья была уже подготовлена к публикации, вышел в свет первый в 2015 году номер журнала «Энергоэксперт» со статьей Бокова Г.С. [22], в которой содержится полезная информация о рассмотренных выше проводах инновационных конструкций. Статью сопровождает краткий «Справочник» по этим проводам с расшифровкой используемых в зарубежных и отечественных марках символов [23].

Выводы

  1. В «Нормах технологического проектирования воздушных линий электропередачи» или в отдельном нормативно-техническом документе необходимо четко определить те случаи и обстоятельства, когда наряду с обычными сталеалюминиевыми проводами марки АС должны рассматриваться варианты применения высокотемпературных проводов, включая провода категории HTLS.
  2. Отечественная кабельная промышленность сегодня в состоянии ответить на вызовы времени производством инновационных конструкций проводов, по своим техническим характеристикам не уступающих зарубежным аналогам.
  3. В связи с курсом на импортозамещение при сопоставлении вариантов применения нетрадиционных проводов, производимых отечественными и зарубежными компаниями и обладающих практически одинаковыми техническими характеристиками, следует отдавать предпочтение российским аналогам, как имеющим более приемлемые технико-экономические показатели.

Список литературы

  1. Электрические системы. Электрические сети: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Высш. школа, 1998.
  2. Правила устройства электроустановок. – 7-е изд. – М.: НЦ ЭНАС, 2011.
  3. ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия. – М.: Изд-во стандартов, 1980.
  4. Алексеев Б.А. Повышение пропускной способности воздушных линий электропередачи и применение проводов новых марок // ЭЛЕКТРО, 2009, №3. С.45 - 50.
  5. Френкель В. Высокотемпературные провода с малой стрелой провеса // Энергоэксперт, 2010, №4. С. 66 - 68.
  6. Зуев Э.Н. О классификации инновационных конструкций проводов воздушных ЛЭП // Кабель-news, №3, 2013. С. 18 - 23.
  7. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Крохин А.Ю. Инновационные провода для воздушных линий электропередачи. Часть 3 // Кабель-news, 2011, №2. С. 52 - 54.
  8. Котов Р.В. Сравнение технологий производства композитных проводов // Электроэнергия. Передача и распределение, №1, 2013. С. 46 - 47.
  9. Тимашова Л.В., Мерзляков А.С., Назаров И.А. Повышение пропускной способности и надежности передачи электроэнергии при использовании на ВЛ проводов нового поколения // Энергоэксперт, №3, 2013. С. 64 - 68.
  10. Соколов С. Провод конструкции GTACSR повышает пропускную способность ВЛ // Новости электротехники. 2005. №5. С. 80 - 81.
  11. Колосов С.В., Рыжов С.В., Сюксин В.Е. Повышение пропускной способности ВЛ: анализ технических решений. В сб. научных статей «Опыт, устремленный в будущее» / ЗАО «Электросетьстройпроект», 2013. С. 26 - 36.
  12. Непомнящий В.А. Оценка эффективности использования в электрических сетях проводов с повышенной пропускной способностью // Энергоэксперт, №3, 2011. С. 38 - 44.
  13. Сенькин Н.А. Актуальные задачи в проектировании и строительстве ВЛ ЕНЭС: провода, тросы, арматура // Энергоэксперт, №1, 2014. С. 72 - 79.
  14. Тимашова Л.В., Никифоров Е.П., Назаров И.А., Мерзляков А.С., Ермошина М.С., Качановская Л.И., Константинова Е.Д., Романов П.И., Шкапцов В.А. Повышение надежности воздушных линий электропередачи при применении проводов нового поколения // Энергия Единой Сети, №5, 2014. С. 6 - 14.
  15. Богомолов В.С., Ефимов Е.Н., Зихерман М.Х., Комаров В.Б., Кузьмичева К.И., Львов Ю.Н., Мерзляков А.С., Назаров И.А., Тимашова Л.В., Шлейфман И.Л. Проблемы стандартизации основного оборудования электрических сетей // Энергия Единой Сети, №1, 2014. С. 16 - 27.
  16. Ермаков А. Передача энергии по высокотехнологичным проводам // Электроэнергия. Передача и распределение, 2012, №5. С. 54 - 55.
  17. Зотов Д., Боксимер Э (мл). ООО «ЭМ-КАБЕЛЬ» – курсом инноваций // Кабель-news, №5, 2013. С. 32 - 34.
  18. Кувшинов А., Инновационные конструкции проводов для высоководьтных линий электропередачи // Кабель-news, №2, 2012. С. 30 - 32.
  19. ELKA LINE AС. Неизолированные провода повышенной надежности. Номенклатурный каталог. Материалы выставки «Электрические сети России», декабрь 2014 г.
  20. Колосов С.В., Фокин В.А. Новое поколение проводов ВЛ: пластически деформированные провода // Электроэнергия. Передача и распределение, №1, 2014. С. 90 - 47.
  21. Провода неизолированные для высоковольтных воздушных линий электропередачи с композитным сердечником марки АССС™. «Ункомтех». Материалы выставки «Электрические сети России», декабрь 2014 г.
  22. Боков Г.С. Новые идеи для воздушных линий электропередачи // Энергоэксперт, №1, 2015. С. 10 - 15.
  23. Справочник по проводам нового поколения // Энергоэксперт, №1, 2015. С. 16 - 15.

Обсуждают на форуме (16)

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно