Кабели в воздушных линиях электропередач

На практике сети электропередачи 220 и 400 кВ реализуются только как воздушные линии электропередач.
Линии электропередач выполнены из фазных проводов (подвешенных на столбах с применением изолирующих цепей), по которым передается энергия. Какие кабели используются в ЛЭП, каковы критерии их выбора?

Анкерно-угловые опоры — закажите у нас.

Электроэнергия, вырабатываемая электростанциями (угольными, газовыми, атомными, ветровыми, гидроэлектростанциями и др.), для того, чтобы попасть к потребителям, должна передаваться через Национальную энергосистему, состоящую из линий электропередач 220 и 400 кВ, а также линии электропередачи 110 кВ. кВ и распределительные сети среднего и низкого напряжения.
В густонаселенных районах распределительная сеть строится как кабельная (подземная), а в сельской местности и сельскохозяйственных районах как воздушная. На практике сети электропередач 220 и 400 кВ реализуются только как воздушные линии. Они построены из силовых фазных проводников (подвешенных на столбах с применением изолирующих цепей), по которым передается энергия.

Линии электропередач – требования к кабелю

Требования к кабелям воздушных линий электропередач зависят от многих факторов, в том числе тип линии, напряжение и передаваемая мощность, поле и условия окружающей среды. Их можно разделить на две группы:

электрические требования — кабели должны иметь минимально возможное сопротивление. В сетях передачи это связано с необходимостью минимизировать падения напряжения и потери. В низковольтных линиях обеспечение достаточно низкого сопротивления проводников целесообразно в связи с необходимостью сохранения эффективности защиты от поражения электрическим током. В случае короткого замыкания низкое значение сопротивления в петле короткого замыкания вызывает появление высокого тока короткого замыкания и, таким образом, достаточно быстрое срабатывание защит, например, предохранителей;
механические требования — в воздушных линиях электропередач фазные проводники подвешивают между опорами с сохранением определенного натяжения. Механические свойства кабелей влияют на их поведение в пролете, поэтому они должны характеризоваться соответствующими параметрами. Наиболее важными из них являются: коэффициент теплового удлинения, модуль упругости, номинальная прочность на растяжение (RTS), вес и диаметр.
Поведение проводников в различных условиях можно математически описать так называемым уравнение состояния. Расчеты позволяют получить величину провеса кабеля в заданном пролете, для конкретной температуры и напряжения кабеля, что также является одним из ключевых факторов, который необходимо учитывать на этапе проектирования линии для обеспечения требуемые стандартами расстояния кабеля от земли и объектов пересечения.

Линии электропередач — строительство кабелей

Кабели воздушных линий электропередач выполнены из электропроводящего слоя, выполненного из проволоки из алюминия или алюминиевых сплавов, и сердечника, которым обычно является стальная проволока, обеспечивающая соответствующую механическую прочность всего кабеля. В типовых решениях алюминиевые провода обычно имеют круглое сечение. Для увеличения активного сечения алюминия, не изменяя диаметра жилы, алюминиевые провода изготавливают профилированной, трапециевидной формы, благодаря чему достигается больший коэффициент заполнения жилы.

Линии электропередач — виды кабелей

Кабели ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced) — известные как кабели типа AFL, алюминиевые со стальным сердечником, обычно используемые во всех типах воздушных линий. Сердечник выполнен из стальных оцинкованных проволок, дополнительно покрытых смазкой, или стальных проволок с алюминиевым покрытием, а токопроводящий слой — из алюминия марки АЛ1. Благодаря соответствующему соотношению площади поперечного сечения алюминия и стали достигаются требуемые электрические и механические свойства проводников. Допустимая температура длительной эксплуатации кабеля 80°С;

Воздушные линии электропередач 

Кабели ACAR (Aluminum Conductor Aluminium Alloy Reinforced) — алюминиевые с сердечником из сплава алюминия, которые отличаются от кабелей типа ACSR тем, что стальные проволоки заменены на алюминиевые сплавы марки АЛ4 или АЛ5. В результате была достигнута более высокая пропускная способность по току. Допустимая температура длительной эксплуатации 80°С;
AAAC (All Aluminium Alloy Conductor) — однородные кабели из алюминиевого сплава, изготовленные полностью из алюминиевых сплавов марок от AL2 до AL8. Такой тип конструкции обеспечивает прочностные характеристики кабелей ACSR, но за счет использования только алюминиевых проводов они имеют гораздо большую токонесущую способность и меньший вес. Допустимая температура длительной эксплуатации 80°С, а в некоторых типах 110°С. Благодаря своим преимуществам кабели АААС широко используются во всем мире в воздушных линиях независимо от уровня напряжения;
См. также: Компенсация реактивной мощности. Какие есть способы компенсации реактивной мощности, какие устройства использовать?

Кабели AAL (All Aluminium Conductor) — однородный алюминий, полностью изготовленный из алюминия марки AL1. Эти кабели характеризуются относительно низкой механической прочностью и поэтому могут быть подвешены с небольшим натяжением на коротких пролетах. Поэтому они используются только в линиях низкого напряжения. В настоящее время линии этого типа изготавливаются только изолированными самонесущими алюминиевыми жилами типа АсХСн в изоляции из сшитого полиэтилена, стойкого к распространению пламени.
Кабели HTLS (High Temperature Low Sag).Они приспособлены для работы при повышенных температурах и отличаются небольшими свесами. Допустимая рабочая температура традиционных фазных проводов обычно не превышает 80 °С и является одним из основных параметров, определяющих допустимую токовую нагрузку данной ВЛ (максимальное значение тока, который может протекать по данному проводу, рассчитывается на основу теплового баланса с учетом условий окружающей среды) т. е. температуры воздуха, инсоляции, направления и скорости ветра, а также состояния поверхности труб). Если необходимо увеличить токопропускную способность существующей линии, то кабель можно заменить на такой, который будет работать при более высоких температурах, т.е. HTLS. Кроме того, некоторые типы оснащены специальным сердечником, например, из углеродных и стеклянных волокон (АССС),
Кабели HTLS имеют нелинейный прогиб в зависимости от температуры. Это означает, что после превышения определенного значения (т.н. точки перегиба) приращение провисания меньше, чем при более низких температурах, что немаловажно при модернизации ЛЭП. Это связано с тем, что более высокая рабочая температура проводов увеличивает величину их свесов, а значит — уменьшает расстояние между проводами и пересекаемыми предметами или землей. Благодаря этому использование кабелей HTLS позволяет повысить токопропускную способность существующей линии без необходимости значительного увеличения опор модернизируемой линии электропередач. Следует отметить, что применение кабелей с повышенной рабочей температурой оправдано только в существующих линиях, которые требуют значительного увеличения их пропускной способности, а опорные конструкции находятся в хорошем техническом состоянии. Непрерывная работа линии при значительной токовой нагрузке, а значит, при высокой температуре проводников приводит к очень высоким потерям при передаче, что неэкономично. В случае таких линий рекомендуется их основательная модернизация, заключающаяся в использовании кабелей большего сечения.

В группу кабелей HTLS входят:

TACSR (Thermal Resistant Aluminium Conductor Steel Reinforced) – изготовлен из жаропрочного алюминия со стальным сердечником. Применение алюминиевых проводов типа АТ2, АТ3 или АТ4 позволяет увеличить температуру длительной эксплуатации кабелей до 150°С (АТ2), 210°С (АТ3) и 230°С (АТ4) соответственно. В связи с тем, что цинковое покрытие на стальных проволоках может нагреваться до 180°С, стальные проволоки с алюминиевым покрытием применяют в токопроводах с алюминиевыми жилами АТ3 и АТ4;
TACIR (Thermal Resistant Aluminium Conductor Inwar Reinforced) – изготовлен из термостойкого алюминия, с сердцевиной из инвара (сплав железа и никеля). Воздуховоды с такой конструкцией характеризуются более низким коэффициентом теплового расширения и более низкой температурой точки перегиба по сравнению с TACSR;
GTACSR (Gap-type Thermal Resistant Aluminium Conductor Steel Reinforced) – изготовлен из жаропрочного алюминия со стальным сердечником.

Между последним и алюминиевым слоем оставляют зазор, заполненный специальной смазкой. Сборка GTACSR заключается в соответствующем захвате сердечника, передающего полное натяжение троса, и последующем прессовании алюминиевой части. Особая конструкция троса в сочетании с соответствующей технологией монтажа приводит к так называемому точка перегиба уже при температуре монтажа (а не при более высоких рабочих температурах), что значительно уменьшает увеличение провисания, возникающее в результате повышения рабочей температуры кабеля;

Воздушные линии электропередач — кабель GAP GTACSR

Кабели ACSS (Aluminum Conductor Steel Supported) — алюминиевые со стальным сердечником. Они имеют ту же структуру, что и кабели ACSR, с тем отличием, что алюминиевые провода типа АЛ1 заменены на отожженные алюминиевые провода, которые могут работать до 240°С без потери своих свойств. Благодаря этому через сердечник передается все напряжение вне зависимости от рабочей температуры кабеля;

Кабели ACCC (Aluminum Conductor Composite Core) — из алюминия с композитным сердечником. В этих кабелях используются провода из отожженного алюминиевого профиля (по аналогии с ACSS). Сердцем ACCC является композитный сердечник из углеродного волокна, окруженный слоем стекловолокна, которое легче и прочнее стали, что снижает величину провисания кабеля. Кроме того, он характеризуется очень низким коэффициентом теплового расширения, благодаря чему положительно влияет на уменьшение увеличения провисания кабеля в зависимости от температуры.
Использование профилированных алюминиевых (TW) проводов позволило увеличить активное сечение алюминия при сохранении того же диаметра жилы, что, в свою очередь, уменьшило удельное сопротивление, а значит, и потери при передаче. Кабели ACCC чувствительны к возможным ошибкам монтажа, поэтому необходимо соблюдать строгие требования, указанные в инструкции по монтажу;

Воздушные линии электропередач — кабель ACCC

Кабели ACFR (Aluminum Conductor Fiber Reinforced) — алюминиевые (провода AT1), с сердечником из углеродного волокна. Эти тросы характеризуются малым весом, высокой механической прочностью, низким коэффициентом теплового расширения и ярко выраженной точкой перегиба по характеристикам свисания;
Кабели ACCR (Aluminum Conductor Composite Reinforced) — алюминиевые, с композитным сердечником из волокон оксида алюминия Al 2 O 3 в алюминиевой матрице. Сердечник (в отличие от кабелей ACCC и ACFR) выполнен из нескрученных проволок, защищенных от расплетания специальной алюминиевой фольгой. Внешний слой изготовлен из проволоки из алюминиевого сплава АТ3. Эти кабели характеризуются низким коэффициентом теплового расширения, малым весом, малым сопротивлением и увеличением провисания выше температуры, соответствующей точке изгиба.

Линии электропередач – применение проводов

Есть много факторов, влияющих на выбор кабеля, который будет использоваться на данной линии электропередачи. К наиболее важным из них относятся: напряжение сети, требуемая токовая нагрузка и климатические условия (так называемые зоны ветровой и гололедной нагрузки).

Линии электропередач – выбор кабеля по напряжению

В ЛЭП низкого напряжения применяют неизолированные алюминиевые жилы типа AL (старые решения) или изолированные алюминиевые AsXSn (в новых или модернизируемых линиях). Изолированные кабели имеют две очень важные особенности: в случае разрыва и падения на землю защитный слой защищает людей и животных от поражения электрическим током. Кроме того, они меньше нагружают опоры при наличии ветровых или сажевых условий по сравнению с решениями типа AL, что позволяет на модернизируемых линиях увеличить сечение проводов без необходимости замены опор. В сетях среднего напряжения чаще всего применяют неизолированные сталеалюминиевые жилы или (все чаще) не полностью изолированные провода из алюминиевого сплава, т.е. в оболочке из сшитого полиэтилена.

В линиях высокого напряжения, т.е. на уровне 110 кВ и выше, применяют неизолированные проводники различных типов, чаще всего ACSR, AAAC или ACAR. В сетях напряжением 400 кВ и выше фазные провода выполняются в виде жгутов из двух и более проводников. Это решение направлено на снижение напряженности электрического поля на проводниках и, таким образом, на снижение шума , вызванного электрическим разрядом, слышимого в виде характерного треска или шума. Чем выше напряжение линии, тем больше требуется использовать проводов в жгуте, в настоящее время в Польше в линиях 400 кВ используется три провода (в более старых решениях — два).

Линии электропередач – выбор проводника по токовой нагрузке

При выборе сечения проводника в слаботочных линиях следует производить электрические расчеты для определения перепадов напряжения и эффективности защиты от поражения электрическим током. Кроме того, выбор должен быть проверен с точки зрения долговременной тепловой нагрузки, чтобы гарантировать, что протекание тока не приведет к превышению температуры проводника.

В линиях среднего напряжения сечение проводника зависит в первую очередь от допустимых падений напряжения (чаще всего в аварийных режимах) и прочности при коротком замыкании. В сетях высокого и сверхвысокого напряжения основным критерием выбора является максимально возможная рабочая температура кабеля и связанная с этим пропускная способность по току. При выборе сечения проводника следует учитывать и характер нагрузки линии, т. е. определять продолжительность наибольшей нагрузки на основании гистограммы. Это оказывает значительное влияние на потери при передаче в линии и связанные с этим затраты. В случае наличия линии с большой токовой нагрузкой в ​​течение длительного времени оправдано применение решений с большим поперечным сечением, чем это было бы в результате тепловой нагрузки. Благодаря этому более высокие инвестиционные затраты будут компенсированы меньшими потерями энергии,

Линии электропередач – выбор кабеля по погодным условиям

В воздушных линиях электропередач, расположенных в районах с более высокими кабельными нагрузками, чем лед, следует применять решения с более высокой механической прочностью, например, с сердечником из стали UHST или тросами с большей долей стали в общем сечении. Это особенно важно в горных районах, обозначенных в соответствии с PN-EN 50341-2-22:2016 как зона гололедной нагрузки S3. Кроме того, в таких местах также важно правильно подобрать конструкцию опор с учетом большей механической нагрузки, исходящей от более прочных тросов. В случае линий низкого и среднего напряжения это достигается за счет использования соответственно более прочных витых полюсов типа Е или даже «сдвоенных» полюсов (два полюса, соединенные в один полюс).

Линии электропередач — аксессуары для подвески кабелей

Кабели ВЛ подвешивают на прочных опорных конструкциях найтовным способом — с помощью соответствующих прессованных или клиновых зажимов, которые должны выдерживать полное натяжение при одновременном появлении обледенения кабеля и ветра. Прессовые решения созданы таким образом, что можно прессовать сердцевину и внешнюю алюминиевую часть по отдельности. Для сборки используются специальные гидравлические прессы, оснащенные наборами камней соответствующей формы для каждого диаметра троса. Клиновые зажимы состоят из корпуса правильной формы с двумя клиньями, через которые проходит кабель.

Для подвешивания кабелей на стержневых опорах используются держатели стержней, которые поддерживают трос, но не передают никакого напряжения на конструкцию опоры. Они имеют вид так называемых «Лодочки» с крышкой прикручены винтами, и все это дело шарнирно закреплено на тетиве. В некоторых решениях используется дополнительная защитная оплётка, монтируемая снаружи, предохраняющая наружный слой проводов от растрескивания из-за эоловых колебаний.

Если есть необходимость соединить два отрезка трубы, это можно сделать с помощью так называемого запрессованный среднепролетный соединитель, обеспечивающий надлежащее механическое и электрическое соединение проводов. Он имеет форму трубки и по своей структуре напоминает ручки пресса. Воздушные линии подвергаются воздействию многих климатических факторов, наиболее важными из которых являются: ветер и отложение на линиях гололедицы или мокрого снега.

Равномерно дующий ветер со скоростью несколько метров в секунду вызывает эоловые колебания (с небольшой амплитудой — не более 15 см, но высокой частотой — до 100 Гц), которые могут привести к усталостному растрескиванию проводов. Для их устранения чаще всего используют демпферы Stockbridge. Они состоят из двух грузов соответствующей массы и соединены друг с другом стальным шнуром. Все это монтируется на кабель с помощью специального хомута или оплётки. В линиях среднего напряжения с частично изолированными жилами применяют спиральные демпферы из пластмасс, которые обвивают проводник для защиты от эоловых колебаний. В высоковольтных сетях с пучками проводов применяются специальные гасящие прокладки.

Выбор необходимой антивибрационной защиты зависит от типа кабеля, длины отдельных пролетов в линии и типичного натяжения кабеля (EDS — Every Day Stress). В линиях среднего напряжения с частично изолированными жилами применяют спиральные демпферы из пластмасс, которые обвивают проводник для защиты от эоловых колебаний. В высоковольтных сетях с пучками проводов применяются специальные гасящие прокладки. Выбор необходимой антивибрационной защиты зависит от типа кабеля, длины отдельных пролетов в линии и типичного натяжения кабеля (EDS — Every Day Stress).

В линиях среднего напряжения с частично изолированными жилами применяют спиральные демпферы из пластмасс, которые обвивают проводник для защиты от эоловых колебаний. В высоковольтных сетях с пучками проводов применяются специальные гасящие прокладки. Выбор необходимой антивибрационной защиты зависит от типа кабеля, длины отдельных пролетов в линии и типичного натяжения кабеля (EDS — Every Day Stress).

Линии электропередач — специальная конструкция проводов

Самодемпфирующиеся тросы — на линиях, расположенных в местах, подверженных возникновению равномерного ветра и образованию эоловых колебаний, целесообразно применять специальные вантовые конструкции с повышенным коэффициентом самодемпфирования. Одним из примеров таких решений является ACSR-VR (Vibration Resistant), выполненный путем коаксиальной скрутки двух одинаковых кабелей. За счет турбулентности воздуха нарушается ламинарное обтекание воздуховода ветром, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний.

Провода с профилированными проводами- одной из основных целей их применения является увеличение активного сечения алюминия при сохранении прежнего наружного диаметра проводника. Профильные провода изготавливаются из алюминия любой марки в форме трапеции, ласточкиного хвоста или Y-Z, что позволяет увеличить токонесущую способность до 15% по сравнению с круглыми проводами. Кроме того, они снижают коэффициент аэродинамического сопротивления и напряженность электрического поля на поверхности проводника, что снижает шум от утечки тока.

Линии электропередач – примеры решений 

В линиях низкого и среднего напряжения применяются различные типы опорных конструкций: деревянные, железобетонные, предварительно напряженные железобетонные шпильки, стальные решетчатые, стальные трубчатые, а в последнее время и композитные опоры. Изоляторы, используемые в этих линиях, изготовлены из фарфора, стекла или композита.
В линиях этого типа чаще всего применяют алюминиевые и сталеалюминиевые тросы, а некоторое время и легированные тросы в изолирующей оболочке, обеспечивающие большую безопасность, защиту от поражения электрическим током и надежность электроснабжения.

В линиях высокого и высшего напряжения наиболее популярны сталеалюминиевые жилы ACSR благодаря простоте конструкции, надежности, простоте монтажа и невысокой цене. В ситуации, когда требуется увеличить токопропускную способность существующих линий, а несущие конструкции находятся в исправном состоянии, можно использовать высокотемпературные кабели. Их выбор определяется индивидуальным технико-экономическим анализом. На выбор типа водовода в новых линиях все большее влияние оказывает вопрос минимизации потерь при передаче, которые важны с экономической точки зрения и связаны с уменьшением выбросов парниковых газов. С этой точки зрения кабели из сплава AAAC очень выгодны, так как они характеризуются относительно низким удельным сопротивлением. Это связано с отсутствием стального сердечника, который заменяется легированными алюминиевыми проводами, благодаря чему увеличивается активное сечение алюминия в трубопроводе. По этой причине во многих странах мира кабели AAAC стали стандартом в линиях наивысшего напряжения, заменив ACSR.

В нашей стране они пока повсеместно используются только в линиях низкого и среднего напряжения. 
Polskie Sieci Elektroenergetyczne SA на новых линиях 400 кВ в качестве стандартного решения внедрила кабель типа ACSR с профилированными жилами, обозначенными как 408-AL1F / 34-UHST. По диаметру он эквивалентен использовавшемуся ранее решению AFL-8 350 мм², но с гораздо большим алюминиевым сечением, что было достигнуто благодаря использованию алюминиевых профилированных проводов во внешнем слое и уменьшению сечения — сечение стального сердечника. Требуемая механическая прочность всего троса обеспечивается сталью UHST, из которой изготовлен сердечник.

Использование данного типа кабелей позволяет снизить электрические потери до 14%.
Существующие распределительные линии 110 кВ часто включают проводники типа ALF-6 120 мм² или AFL-6 185 мм², но их пропускная способность по току недостаточна по отношению к требованиям. В таких ситуациях можно заменить кабели на новые из группы HTLS. Наиболее часто в этих линиях используются кабели GTACSR (GAP), ACCC и ACSS. На двухцепной линии 220 кВ Козенице – Пясечно – Моры, в связи с ее особой важностью для снабжения Варшавы, было решено использовать на одной линии АККК, а на другой – АКСС.