Cablu electric aerian: tipuri, selecție și instalare

Selectarea corectă cablu electric aerian pentru o linie de transport sau distribuție necesită echilibrarea a trei variabile interdependente: capacitate de purtare continuă a curentului, rezistență mecanică la tracțiune și comportament pe termen lung la scădere la temperatura maximă de funcționare . Pentru majoritatea aplicațiilor de medie și înaltă tensiune, conductorul din aluminiu armat cu oțel (ACSR) rămâne alegerea implicită, deoarece miezul din oțel galvanizat transportă aproximativ 55% până la 65% din tensiunea totală, în timp ce firele de aluminiu transportă curentul, o separare de funcții pe care niciun conductor omogen nu le poate îndeplini la un cost echivalent.

Tipuri de conductoare și compoziția materialului

Cablurile electrice aeriene sunt clasificate în funcție de materialele și configurația de toroane a conductorului. Cele trei familii de conductoare goale primare domină piața, fiecare fiind potrivită pentru lungimi și condiții de mediu distincte.

ACSR, sau Aluminium Conductor Steel-Reinforced, constă dintr-un miez concentric de oțel, înconjurat de unul sau mai multe straturi de fire de aluminiu 1350-H19. Miezul de oțel, disponibil în diferite grade de rezistență, asigură coloana vertebrală de tracțiune, în timp ce straturile de aluminiu transportă curentul cu o conductivitate de 61,2% IACS (Standard internațional de cupru recoacet). Un conductor tipic ACSR „Drake”, cu o torsionare 26/7 și un diametru total de 28,14 mm, atinge o rezistență nominală la tracțiune de 140 kN și o ampacitate continuă de aproximativ 907 amperi la 75°C în condiții de vânt moderat.

AAAC, conductorul din aliaj de aluminiu, folosește o torsionare omogenă de fire din aliaj de aluminiu 6201-T81. Acest aliaj încorporează magneziu și siliciu pentru a obține o rezistență la tracțiune aproximativ dublă față de aluminiul conductor electric 1350-H19, eliminând necesitatea unui miez de oțel. Conductoarele AAAC sunt specificate acolo unde coroziunea miezului de oțel este o problemă, în special în mediile de coastă sau industriale cu cloruri sau compuși de sulf în aer. Absența unui miez magnetic de oțel elimină, de asemenea, histerezisul și pierderile prin curenți turbionari, reducând rezistența AC cu aproximativ 3% până la 5% în comparație cu un ACSR cu diametru echivalent sub același curent de sarcină.

AAC, conductorul din aluminiu realizat în întregime din fire 1350-H19, oferă cea mai mare conductivitate pe unitate de greutate, dar cea mai scăzută rezistență la tracțiune. Utilizarea sa este limitată la deschideri scurte în rețelele urbane de distribuție și la dropperele de bare colectoare din substații, unde lungimea travei rareori depășește 50 de metri și conductorul nu este obligat să reziste la sarcini mari de gheață sau de vânt.

Performanța comparativă a tipurilor de conductor standard

Fundamentele privind capacitatea și evaluarea termică

Ampacitatea unui cablu electric aerian nu este un număr fix, ci o funcție a echilibrului de căldură dintre pierderile rezistive (încălzire I²R), radiația solară absorbită de suprafața conductorului, răcirea convectivă de la vânt și pierderea de căldură radiativă către cer. Standardul IEEE 738 definește ecuația termică la starea de echilibru care guvernează acest echilibru. În cazul cel mai rău caz de soare plin, viteza scăzută a vântului de 0,6 m/s și o temperatură ambientală de 40°C, ampacitatea unui conductor dat poate fi Cu 25% până la 35% mai mic decât valoarea publicată pentru condiții de primăvară moderate.

Temperatura de funcționare a conductorului este variabila independentă care controlează sag-ul. Conductoarele standard ACSR sunt evaluate pentru funcționare continuă la 75°C, 90°C sau 100°C , cu temperaturi mai ridicate permise pentru condiții de urgență sau de vârf de sarcină pe termen scurt. Peste 93°C, firele de aluminiu încep să se recoace, reducându-și permanent rezistența la tracțiune. Conductoarele de înaltă temperatură cu înclinare scăzută (HTLS) precum ACSS, G(Z)TACSR și ACCR utilizează miezuri din aluminiu sau compozite complet recoapte pentru a funcționa continuu la 150°C până la 210°C , dublând aproximativ puterea unei linii ACSR convenționale în cadrul aceleiași drepturi de trecere, fără a necesita turnuri mai înalte.

Calculul tensiunii și practica de încordare

Relația dintre tensiunea conductorului și sag este guvernată de ecuația catenară, care pentru deschideri mai scurte de 300 de metri se simplifică la o aproximare parabolică cu o eroare acceptabilă. Procesul de proiectare începe cu conceptul de deschidere, o lungime medie ponderată a travei care reprezintă comportamentul mecanic echivalent al unei întregi secțiuni de tensiune între structurile de fund. Tensiunea inițială descărcată la cea mai scăzută temperatură de încordare, de obicei -20°C sau 0°F , trebuie setat astfel încât conductorul să nu depășească 60% din rezistența sa nominală la rupere sub cea mai severă combinație de sarcină de gheață și vânt specificată de Codul național de siguranță electrică (NESC) pentru districtul geografic de încărcare.

Încordarea nu înseamnă pur și simplu tragerea conductorului la o tensiune țintă și fixarea acestuia. Conductorul trebuie să fie tensionat la o valoare a căderii măsurată prin ochire de-a lungul travei cu un sagometru digital sau de tranzit, cu conductorul la o temperatură uniformă cunoscută. Pentru o lungime de 300 de metri a ACSR Drake la 15°C, fără vânt sau gheață, coborârea țintă este de aproximativ 6,5 metri , corespunzătoare unei tensiuni orizontale de aproximativ 17 kN. După clipire, conductorul se relaxează prin tasarea firelor și fluajul metalurgic, pierzând aproximativ 10% până la 15% din tensiunea inițială în primele 1.000 de ore de serviciu . Scurgerea înșirării trebuie să anticipeze acest fluaj țintind o supratensiune de 10% până la 12%, care apoi se relaxează până la coborârea finală de proiectare.

Vibrația eoliană și amortizarea conductorilor

Când un vânt laminar constant trece printr-un cablu aerian la viteze cuprinse între 1 și 7 m/s, acesta revarsă vârtejele Kármán alternative care induc o forță ciclică de ridicare perpendiculară pe direcția vântului. Această vibrație eoliană, cu frecvențe de obicei în intervalul de 3 până la 150 Hz , forțează conductorul să oscileze la sau aproape de o frecvență de rezonanță naturală a unuia dintre modurile sale de vibrație mai înalte. Tensiunea de încovoiere rezultată la clema de suspensie a conductorului, unde mișcarea este complet restrânsă, depășește limita de rezistență la oboseală a aluminiului de aproximativ 57 MPa (8,3 ksi) în zeci de milioane de cicluri, care se acumulează în câteva zile în condiții de vânt constant.

Atenuarea utilizează amortizoare Stockbridge, amortizoare de vibrații în spirală (denumite oficial amortizoare cu oase de câine sau elemente de amortizor în formă de spirală) sau amortizoare distanțiere pe conductori grupați. Un amortizor Stockbridge reglat corespunzător are două frecvențe de rezonanță care se încadrează în frecvența conductorului dominant, absorbind energia vibrațională prin frecarea internă a firelor sale de cablu mesager. Distanța de plasare a amortizorului de la clemă nu este arbitrară; trebuie să fie poziționat într-un punct în care amplitudinea antinodului de vibrație a conductorului este suficientă pentru a excita amortizorul. Pentru o linie tipică de 132 kV cu conductor ACSR Lynx, primul amortizor este plasat 0,8 până la 1,2 metri de gura clemei de suspensie , cu un al doilea amortizor la 1,8 metri pe deschideri ce depășesc 400 de metri.

Descărcarea corona și gestionarea câmpului electromagnetic

La tensiuni de transmisie de 230 kV și peste, gradientul câmpului electric de la suprafața conductorului se apropie de rezistența dielectrică la rupere a aerului, aproximativ 30 kV/cm la nivelul mării . Când gradientul de suprafață depășește aproximativ 17 kV/cm în condiții uscate, se inițiază descărcarea corona, producând zgomot audibil, interferență radio (RI) în banda de 0,5 până la 1,6 MHz și pierderi de putere. Gradientul de suprafață este invers proporțional cu raza conductorului; un singur conductor pe fază trebuie să aibă un diametru de cel puțin 24 mm pentru 230 kV și 32 mm pentru 345 kV pentru a menține gradientul sub pragul corona.

Conductoarele grupate abordează acest lucru prin împărțirea curentului de fază între doi, trei sau patru subconductori separați prin distanțiere rigide la intervale de 30 până la 45 cm. Un fascicul dublu de conductori cu diametrul de 28 mm la 400 kV atinge un diametru echivalent de aproximativ 180 mm în ceea ce privește distribuția câmpului electric, reducerea gradientului de suprafață cu un factor de aproximativ trei în comparație cu un singur conductor de suprafață totală echivalentă a secțiunii transversale. Distanțierea este aleasă pentru a optimiza echilibrul dintre uniformitatea câmpului electric și stabilitatea mecanică împotriva oscilațiilor sub-span, un fenomen în care conductorul din vânt îl acoperă pe cel sub vânt, creând o instabilitate aerodinamică care antrenează mișcări eliptice de biciuire.

Selectarea izolatorului și coordonarea distanței de curgere

Conductorul aerian este susținut mecanic și izolat electric prin șiruri izolatoare de suspensie sau de tensiune. Distanța de curgere a izolatorului, lungimea traseului de-a lungul suprafeței izolatorului de la armătura de capăt alimentat până la capătul împământat, trebuie să fie suficientă pentru a preveni erupția în condiții de umezeală contaminată. Distanța de curgere specifică este definită în mm de curgere per kV de tensiune fază la fază a sistemului. Pentru zonele cu poluare luminoasă, un flux specific de 16 mm/kV este adecvat; pentru pulverizare de sare industrială grea sau de coastă, 31 mm/kV sau mai mult este specificată, realizată prin folosirea de șiruri mai lungi sau izolatoare de tip ceață cu fuste mai adânci.

Izolatoarele polimerice compozite cu găzduire din cauciuc siliconic au înlocuit în mare măsură șirurile de porțelan și sticlă pentru construcție nouă la 138 kV și mai jos și câștigă acceptare la nivelurile EHV. Suprafața hidrofobă a cauciucului siliconic face ca apa să curgă mai degrabă decât să formeze o peliculă conductivă continuă, suprimând curentul de scurgere prin un factor de 10 până la 100 în comparație cu o suprafață de porțelan hidrofil în condiţii identice de contaminare. Modul de defectare principal al izolatoarelor compozite este ruptura fragilă a tijei miezului din fibră de sticlă de la atacul acidului sau pătrunderea apei la o etanșare defectă a armăturii, un mecanism care necesită monitorizarea continuă a sarcinii mecanice și inspecția vizuală a integrității carcasei.

Îmbinare, punct mort și compatibilitate hardware

Întreaga linie aeriană este la fel de fiabilă ca și îmbinările și terminațiile sale. Îmbinările la mijloc, necesare pentru lungimile conductorilor care depășesc capacitățile standard ale bobinei, trebuie să atingă o rezistență la tracțiune de cel puțin 95% din rezistența nominală la rupere a conductorului și o rezistență electrică care nu depășește 75% din lungimea echivalentă a conductorului nearticulat. Imbinarile de tip compresie cu tensiune completa, aplicate cu o matrita hexagonala si o presa hidraulica capabila de 700 bar (10.000 psi), sunt standardul industrial. Corpul articulației este un manșon din aluminiu care alunecă peste firele de aluminiu și un manșon separat din oțel care prinde miezul de oțel. Cele două mâneci sunt presărate independent; manșonul de oțel mai întâi, transferând tensiunea nominală completă peste miez, urmat de manșonul de aluminiu, care transportă curentul în jurul îmbinării din oțel.

Coroziunea galvanică bimetală apare oriunde firele conductoare de aluminiu intră în contact cu hardware-ul din aliaj de cupru în prezența unui electrolit. Aluminiul, fiind anodic față de cupru, se corodează sacrificial. Toți conectorii de compresie și corpurile de clemă pentru conductorul de aluminiu trebuie să fie fabricate din aliaj de aluminiu sau să fie complet placate cu cositor pentru a preveni contactul direct cupru cu aluminiu. La structurile de fund în stație unde linia aeriană din aluminiu trece la magistrala din cupru, un urechi de tranziție bimetalic sudat prin frecare izolează cele două metale, oferind în același timp o cale de curent cu rezistență scăzută, pentru curentul complet de scurtcircuit al liniei.