Overhead elektrisk kabel: typer, valg og installasjon

Å velge riktig elektrisk overliggende kabel for en overførings- eller distribusjonslinje krever balansering av tre innbyrdes avhengige variabler: kontinuerlig strømbærende kapasitet, mekanisk strekkstyrke og langvarig hengende oppførsel under maksimal driftstemperatur . For de fleste mellom- og høyspenningsapplikasjoner er stålforsterket aluminiumsleder (ACSR) standardvalget fordi den galvaniserte stålkjernen bærer omtrent 55 % til 65 % av den totale spenningen mens aluminiumstrådene bærer strømmen, en separasjon av funksjoner som ingen homogen leder kan matche til tilsvarende pris.

Ledertyper og materialsammensetning

Overhead elektriske kabler er klassifisert etter materialene og trådingskonfigurasjonen til lederen. De tre primære nakne lederfamiliene dominerer markedet, hver egnet for forskjellige spennlengder og miljøforhold.

ACSR, eller Aluminium Conductor Steel-Reinforced, består av en konsentrisk stålkjerne omgitt av ett eller flere lag med hardtrukne 1350-H19 aluminiumstråder. Stålkjernen, tilgjengelig i ulike styrkegrader, gir strekkryggraden, mens aluminiumslagene fører strømmen med en ledningsevne på 61,2 % IACS (International Annealed Copper Standard). En typisk ACSR "Drake"-leder, med en 26/7-tråding og en total diameter på 28,14 mm, oppnår en nominell strekkstyrke på 140 kN og en kontinuerlig strømstyrke på ca. 907 ampere ved 75°C under moderate vindforhold.

AAAC, lederen i en legert aluminiumslegering, bruker en homogen tråd av 6201-T81 aluminiumslegeringstråder. Denne legeringen inneholder magnesium og silisium for å oppnå en strekkstyrke omtrent det dobbelte av 1350-H19 elektrisk lederaluminium, noe som eliminerer behovet for en stålkjerne. AAAC-ledere er spesifisert der korrosjon av stålkjernen er et problem, spesielt i kyst- eller industrimiljøer med luftbårne klorider eller svovelforbindelser. Fraværet av en magnetisk stålkjerne eliminerer også hysterese og virvelstrømtap, noe som reduserer AC-motstanden med ca. 3 % til 5 % sammenlignet med en ACSR med ekvivalent diameter under samme belastningsstrøm.

AAC, all-aluminium-lederen laget utelukkende av 1350-H19-tråder, tilbyr den høyeste ledningsevnen per vektenhet, men den laveste strekkfastheten. Dens bruk er begrenset til korte spenn i urbane distribusjonsnettverk og samleskinnedropper i nettstasjoner, der spennlengden sjelden overstiger 50 meter og lederen ikke er pålagt å tåle høye is- eller vindbelastninger.

Sammenlignende ytelse av standard ledertyper

Grunnleggende for kraft og termisk vurdering

Ampasiteten til en elektrisk overheadkabel er ikke et fast tall, men en funksjon av varmebalansen mellom resistive tap (I²R-oppvarming), solstråling absorbert av lederoverflaten, konvektiv kjøling fra vind og strålingsvarmetap til himmelen. IEEE 738-standarden definerer steady-state termisk ligning som styrer denne balansen. Under verste fall antakelser om full sol, lav vindhastighet på 0,6 m/s og en omgivelsestemperatur på 40°C, kan ampaciteten til en gitt leder være 25 % til 35 % lavere enn verdien publisert for moderate vårforhold.

Lederens driftstemperatur er den uavhengige variabelen som kontrollerer sag. Standard ACSR-ledere er klassifisert for kontinuerlig drift på 75°C, 90°C eller 100°C , med høyere temperaturer tillatt for nødsituasjoner eller kortsiktige toppbelastningsforhold. Over 93°C begynner aluminiumstrådene å gløde, noe som permanent reduserer strekkfastheten. Høytemperatur-low-sag-ledere (HTLS) som ACSS, G(Z)TACSR og ACCR bruker fullstendig utglødd aluminium eller komposittkjerner for å operere kontinuerlig ved 150°C til 210°C , omtrent dobling av kapasiteten til en konvensjonell ACSR-linje innenfor samme forkjørsrett uten å kreve høyere tårn.

Sag-spenningsberegning og strengtrening

Forholdet mellom lederspenning og sag styres av kontaktledningsligningen, som for spenn kortere enn 300 meter forenkler til en parabolsk tilnærming med akseptabel feil. Designprosessen begynner med det herske spennkonseptet, en vektet gjennomsnittlig spennlengde som representerer den tilsvarende mekaniske oppførselen til en hel strekkseksjon mellom blindveistrukturer. Den innledende ubelastede spenningen ved den laveste strengtemperaturen, typisk -20°C eller 0°F , må stilles inn slik at lederen ikke overstiger 60 % av dens nominelle bruddstyrke under den mest alvorlige is- og vindlastkombinasjonen spesifisert av National Electrical Safety Code (NESC) for det geografiske lastedistriktet.

Stringing er ikke bare å trekke lederen til en målspenning og klemme den. Lederen må strammes til en hengeverdi målt ved å sikte over spennet med et transitt- eller digitalsagometer, med lederen ved en kjent jevn temperatur. For et spenn på 300 meter med ACSR Drake ved 15°C uten vind eller is, er målnedbøyningen ca. 6,5 meter , tilsvarende en horisontal spenning på ca. 17 kN. Etter å ha klippet inn slapper lederen av gjennom trådsetninger og metallurgisk kryp, og taper ca 10 % til 15 % av den innledende spenningen i løpet av de første 1000 tjenestetimene . Snøringen må forutse dette krypet ved å målrette en overspenning på 10 % til 12 %, som deretter slapper av til den endelige utformingen.

Eolisk vibrasjon og lederdemping

Når en jevn laminær vind passerer over en luftkabel med hastigheter mellom 1 og 7 m/s, kaster den vekslende Kármán-virvler som induserer en syklisk løftekraft vinkelrett på vindretningen. Denne eoliske vibrasjonen, med frekvenser vanligvis i området 3 til 150 Hz , tvinger lederen til å oscillere ved eller nær en naturlig resonansfrekvens for en av dens høyere vibrasjonsmoduser. Den resulterende bøyebelastningen ved lederopphengsklemmen, hvor bevegelsen er fullstendig begrenset, overskrider aluminiumets utmattelsesgrense på ca. 57 MPa (8,3 ksi) innen titalls millioner av sykluser, som akkumuleres i løpet av få dager under jevne vindforhold.

Redusering bruker Stockbridge-dempere, spiralvibrasjonsdempere (formelt kalt hundebensdempere eller spiralformede demperelementer), eller avstandsdempere på buntede ledere. En riktig innstilt Stockbridge-demper har to resonansfrekvenser som omslutter den dominerende lederfrekvensen, og absorberer vibrasjonsenergi gjennom den interne friksjonen til messenger-kabeltrådene. Spjeldplasseringsavstanden fra klemmen er ikke vilkårlig; den må plasseres på et punkt hvor lederens vibrasjonsantinode-amplitude er tilstrekkelig til å eksitere spjeldet. For en typisk 132 kV-ledning med ACSR Lynx-leder plasseres det første spjeldet 0,8 til 1,2 meter fra opphengsklemmens munning , med en andre demper på 1,8 meter på spenn over 400 meter.

Koronautladning og elektromagnetisk felthåndtering

Ved overføringsspenninger på 230 kV og over, nærmer den elektriske feltgradienten på lederoverflaten den dielektriske nedbrytningsstyrken til luft, ca. 30 kV/cm ved havnivå . Når overflategradienten overstiger omtrent 17 kV/cm under tørre forhold, starter koronautladning, som produserer hørbar støy, radiointerferens (RI) i 0,5 til 1,6 MHz-båndet og effekttap. Overflategradienten er omvendt proporsjonal med lederradiusen; en enkelt leder per fase må ha en diameter på minst 24 mm for 230 kV og 32 mm for 345 kV for å holde gradienten under koronaterskelen.

Sammensatte ledere løser dette ved å dele fasestrømmen mellom to, tre eller fire underledere atskilt med stive avstandsstykker med 30 til 45 cm intervaller. En tvillingbunt med 28 mm diameter ledere ved 400 kV oppnår en ekvivalent diameter på ca 180 mm når det gjelder elektrisk feltfordeling, reduserer overflategradienten med en faktor på omtrent tre sammenlignet med en enkelt leder med ekvivalent totalt tverrsnittsareal. Avstandsavstanden er valgt for å optimalisere balansen mellom elektrisk feltuniformitet og mekanisk stabilitet mot sub-span oscillasjon, et fenomen der vindlederen skjermer den le, og skaper en aerodynamisk ustabilitet som driver elliptiske piskebevegelser.

Isolatorvalg og krypeavstandskoordinering

Den overliggende lederen er mekanisk støttet og elektrisk isolert av opphengs- eller strekkisolatorstrenger. Isolatorens krypeavstand, banelengden langs isolatoroverflaten fra den energiserte endebeslaget til den jordede enden, må være tilstrekkelig til å forhindre overslag under forurensede våte forhold. Den spesifikke krypeavstanden er definert i mm krype per kV systemfase-til-fasespenning. For lysforurensningsområder skal en spesifikk krypning av 16 mm/kV er tilstrekkelig; for tung industri- eller kystsaltspray, 31 mm/kV eller mer er spesifisert, oppnådd ved å bruke lengre strenger eller tåkeisolatorer med dypere skjørt.

Komposittpolymerisolatorer med silikongummiskjul har i stor grad forskjøvet porselen- og glasskork-og-pinne-strenger for nybygg ved 138 kV og lavere, og vinner aksept på EHV-nivåer. Den hydrofobe overflaten til silikongummi får vann til å perle i stedet for å danne en kontinuerlig ledende film, som undertrykker lekkasjestrøm ved å en faktor på 10 til 100 sammenlignet med en hydrofil porselensoverflate under identiske forurensningsforhold. Den primære sviktmodusen til komposittisolatorer er sprø brudd på glassfiberkjernestangen fra syreangrep eller vanninntrenging ved en defekt endetilpasningstetning, en mekanisme som krever kontinuerlig overvåking av mekanisk belastning og visuell inspeksjon av husets integritet.

Skjøting, blindvei og maskinvarekompatibilitet

Hele luftledningen er bare så pålitelig som dens skjøter og avslutninger. Mellomspennskjøter, som kreves for lederlengder som overstiger standard spolekapasiteter, må oppnå en strekkfasthet på minst 95 % av lederens nominelle bruddstyrke og en elektrisk motstand som ikke overstiger 75 % av den ekvivalente lengden av usammenføyd leder. Fullspenningsskjøter av kompresjonstype, påført med en sekskantet dyse og en hydraulisk presse som er i stand til 700 bar (10 000 psi), er industristandarden. Skjøtelegemet er en aluminiumshylse som glir over aluminiumstrådene og en separat stålhylse som griper tak i stålkjernen. De to ermene er smidd uavhengig av hverandre; stålhylsen først, og overfører den fulle nominelle spenningen over kjernen, etterfulgt av aluminiumshylsen, som fører strømmen rundt stålskjøten.

Bimetallisk galvanisk korrosjon oppstår der aluminiumsledertråder kommer i kontakt med kobberlegeringsutstyr i nærvær av en elektrolytt. Aluminiumet, som er anodisk til kobber, korroderer offer. Alle kompresjonskoblinger og klemmekropper for aluminiumsleder må være laget av aluminiumslegering eller være fullstendig fortinnet for å forhindre direkte kobber-til-aluminium-kontakt. På blindveistrukturer i transformatorstasjoner hvor aluminiumsluftledning går over til kobberbussverk, isolerer en bimetallisk friksjonssveiset overgangsør de to metallene samtidig som den gir en strømbane med lav motstand klassifisert for hele kortslutningsstrømmen til ledningen.