Overhead elektrisk kabel: typer, valg og installation

At vælge den rigtige overliggende elektrisk kabel for en transmissions- eller distributionsledning kræver balancering af tre indbyrdes afhængige variable: kontinuerlig strømbærende kapacitet, mekanisk trækstyrke og langsigtet nedbøjningsadfærd under maksimal driftstemperatur . Til de fleste mellem- og højspændingsapplikationer forbliver stålforstærket aluminiumsleder (ACSR) standardvalget, fordi den galvaniserede stålkerne bærer cirka 55 % til 65 % af den samlede spænding, mens aluminiumstrengene bærer strømmen, en adskillelse af funktioner, som ingen homogen leder kan matche til tilsvarende pris.

Ledertyper og materialesammensætning

Overhead elektriske kabler er klassificeret efter materialer og trådningskonfiguration af lederen. De tre primære nøgne lederfamilier dominerer markedet, og de er hver især egnede til forskellige spændvidder og miljøforhold.

ACSR, eller Aluminium Conductor Steel-Reinforced, består af en koncentrisk strenget stålkerne omgivet af et eller flere lag hårdtrukne 1350-H19 aluminiumstråde. Stålkernen, der fås i forskellige styrkekvaliteter, giver trækryggen, mens aluminiumslagene fører strømmen med en ledningsevne på 61,2 % IACS (International udglødet kobberstandard). En typisk ACSR "Drake"-leder med en 26/7-trådning og en samlet diameter på 28,14 mm opnår en nominel trækstyrke på 140 kN og en kontinuerlig ampacitet på ca. 907 ampere ved 75°C under moderate vindforhold.

AAAC, lederen i en aluminiumslegering, bruger en homogen tråd af 6201-T81 aluminiumslegeringstråde. Denne legering indeholder magnesium og silicium for at opnå en trækstyrke, der er omtrent dobbelt så stor som 1350-H19 elektrisk leder aluminium, hvilket eliminerer behovet for en stålkerne. AAAC-ledere er specificeret, hvor korrosion af stålkernen er et problem, især i kystnære eller industrielle miljøer med luftbårne klorider eller svovlforbindelser. Fraværet af en magnetisk stålkerne eliminerer også hysterese og hvirvelstrømstab, hvilket reducerer AC-modstanden med ca. 3% til 5% sammenlignet med en ACSR med ækvivalent diameter under samme belastningsstrøm.

AAC, den helt aluminiumsleder lavet udelukkende af 1350-H19 tråde, tilbyder den højeste ledningsevne pr. vægtenhed, men den laveste trækstyrke. Dens anvendelse er begrænset til korte spændvidder i bydistributionsnet og samleskinnedroppere inden for understationer, hvor spændvidden sjældent overstiger 50 meter, og lederen ikke er forpligtet til at modstå høje is- eller vindbelastninger.

Sammenlignende ydeevne af standardledertyper

Grundlæggende ampacitet og termisk vurdering

Ampasiteten af et overheadkabel er ikke et fast tal, men en funktion af varmebalancen mellem resistive tab (I²R-opvarmning), solstråling absorberet af lederens overflade, konvektiv afkøling fra vind og strålingsvarmetab til himlen. IEEE 738-standarden definerer den steady-state termiske ligning, der styrer denne balance. Under worst-case antagelser om fuld sol, lav vindhastighed på 0,6 m/s og en omgivelsestemperatur på 40°C, kan ampaciteten af en given leder være 25 % til 35 % lavere end den værdi, der er offentliggjort for moderate forårsforhold.

Lederens driftstemperatur er den uafhængige variabel, der styrer nedbøjningen. Standard ACSR-ledere er normeret til kontinuerlig drift ved 75°C, 90°C eller 100°C , med højere temperaturer tilladt for nødsituationer eller kortvarige spidsbelastningsforhold. Over 93°C begynder aluminiumstrådene at udgløde, hvilket permanent reducerer deres trækstyrke. Højtemperatur-low-sag-ledere (HTLS) såsom ACSS, G(Z)TACSR og ACCR bruger fuldt udglødede aluminium- eller kompositkerner til at fungere kontinuerligt ved 150°C til 210°C , hvilket groft fordobler kapaciteten af en konventionel ACSR-linje inden for samme ret-til-vej uden at kræve højere tårne.

Sag-spænding beregning og stringing praksis

Forholdet mellem lederspænding og nedbøjning er styret af kædeledningsligningen, som for spændvidder kortere end 300 meter forenkles til en parabolsk tilnærmelse med acceptabel fejl. Designprocessen begynder med det herskende spændingskoncept, en vægtet gennemsnitlig spændvidde, der repræsenterer den tilsvarende mekaniske opførsel af en hel spændingssektion mellem blindgydestrukturer. Den oprindelige ubelastede spænding ved den laveste strengtemperatur, typisk -20°C eller 0°F , skal indstilles således, at lederen ikke overstiger 60 % af dens nominelle brudstyrke under den mest alvorlige is- og vindbelastningskombination specificeret af National Electrical Safety Code (NESC) for det geografiske belastningsdistrikt.

Stringing er ikke blot at trække lederen til en målspænding og fastspænde den. Lederen skal spændes til en faldværdi målt ved at sigte over spændvidden med et transit- eller digitalsagometer, med lederen ved en kendt ensartet temperatur. For et spænd på 300 meter af ACSR Drake ved 15°C uden vind eller is, er målets nedbøjning ca. 6,5 meter , svarende til en vandret spænding på ca. 17 kN. Efter klipning slapper lederen af gennem strengsætning og metallurgisk krybning og taber ca 10 % til 15 % af den indledende spænding over de første 1.000 timers drift . Snoren skal foregribe denne krybning ved at målrette en overspænding på 10 % til 12 %, som derefter slapper af til det endelige design.

Æoliske vibrationer og lederdæmpning

Når en konstant laminar vind passerer hen over et luftkabel med hastigheder mellem 1 og 7 m/s, afgiver den vekslende Kármán-hvirvler, der inducerer en cyklisk løftekraft vinkelret på vindretningen. Denne eoliske vibration, med frekvenser typisk i området af 3 til 150 Hz , tvinger lederen til at oscillere ved eller nær en naturlig resonansfrekvens for en af dens højere vibrationstilstande. Den resulterende bøjningsbelastning ved lederophængsklemmen, hvor bevægelsen er fuldstændigt tilbageholdt, overskrider aluminiumets udmattelsesudholdenhedsgrænse på ca. 57 MPa (8,3 ksi) inden for titusinder af cyklusser, som akkumuleres i løbet af få dage under jævne vindforhold.

Afbødning bruger Stockbridge-dæmpere, spiralvibrationsdæmpere (formelt kaldet hundeknogledæmpere eller spiralformede spjældelementer) eller afstandsdæmpere på bundtede ledere. En korrekt afstemt Stockbridge-dæmper har to resonansfrekvenser, der omslutter den dominerende lederfrekvens og absorberer vibrationsenergi gennem den interne friktion af dens messenger-kabelstrenge. Spjældets placeringsafstand fra klemmen er ikke vilkårlig; den skal placeres på et punkt, hvor lederens vibrationsantinode-amplitude er tilstrækkelig til at excitere spjældet. For en typisk 132 kV-ledning med ACSR Lynx-leder placeres det første spjæld 0,8 til 1,2 meter fra ophængsklemmemundingen , med et andet spjæld på 1,8 meter på spændvidder over 400 meter.

Corona-udladning og elektromagnetisk feltstyring

Ved transmissionsspændinger på 230 kV og derover nærmer den elektriske feltgradient ved lederoverfladen luftens dielektriske nedbrydningsstyrke, ca. 30 kV/cm ved havoverfladen . Når overfladegradienten overstiger ca. 17 kV/cm under tørre forhold, starter koronaudladning, der producerer hørbar støj, radiointerferens (RI) i 0,5 til 1,6 MHz-båndet og effekttab. Overfladegradienten er omvendt proportional med lederradiusen; en enkelt leder pr. fase skal have en diameter på mindst 24 mm for 230 kV og 32 mm for 345 kV for at holde gradienten under corona-tærsklen.

Bundet ledere løser dette ved at dele fasestrømmen mellem to, tre eller fire underledere adskilt af stive afstandsstykker med 30 til 45 cm intervaller. Et dobbeltbundt af ledere med en diameter på 28 mm ved 400 kV opnår en tilsvarende diameter på ca 180 mm med hensyn til elektrisk feltfordeling, hvilket reducerer overfladegradienten med en faktor på omtrent tre sammenlignet med en enkelt leder med ækvivalent totalt tværsnitsareal. Afstandsmellemrummet er valgt for at optimere balancen mellem elektrisk feltens ensartethed og mekanisk stabilitet mod sub-span oscillation, et fænomen, hvor vindlederen afskærmer den læste, hvilket skaber en aerodynamisk ustabilitet, der driver elliptiske piskende bevægelser.

Isolatorvalg og krybeafstandskoordinering

Luftlederen er mekanisk understøttet og elektrisk isoleret af ophængnings- eller spændingsisolatorstrenge. Isolatorens krybeafstand, vejlængden langs isolatoroverfladen fra den strømførende endebeslag til den jordede ende, skal være tilstrækkelig til at forhindre overslag under forurenede våde forhold. Den specifikke krybeafstand er defineret i mm krybe per kV system fase-til-fase spænding. For lysforureningsområder gælder en specifik krybning af 16 mm/kV er tilstrækkeligt; til tung industri- eller kystsaltspray, 31 mm/kV eller mere er specificeret, opnået ved at bruge længere strenge eller tåge-type isolatorer med dybere skørter.

Sammensatte polymerisolatorer med silikonegummiskure har stort set forskudt porcelæns- og glaskappe-og-stift-strenge til nybyggeri ved 138 kV og derunder, og vinder accept på EHV-niveauer. Den hydrofobe overflade af silikonegummi får vand til at perle i stedet for at danne en kontinuerlig ledende film, hvilket undertrykker lækstrøm ved en faktor på 10 til 100 sammenlignet med en hydrofil porcelænsoverflade under identiske forureningsforhold. Den primære fejltilstand for kompositisolatorer er sprød brud på glasfiberkernestangen fra syreangreb eller vandindtrængning ved en defekt endemonteringstætning, en mekanisme, der kræver kontinuerlig overvågning af mekanisk belastning og visuel inspektion af husets integritet.

Sammenføjning, blindgyde og hardwarekompatibilitet

Hele luftledningen er kun så pålidelig som dens samlinger og afslutninger. Midtspan-samlinger, der kræves for lederlængder, der overstiger standard spolekapaciteter, skal opnå en trækstyrke på mindst 95 % af lederens nominelle brudstyrke og en elektrisk modstand, der ikke overstiger 75 % af den ækvivalente længde af usammenføjet leder. Fuldspændingssamlinger af kompressionstype, påført med en sekskantet matrice og en hydraulisk presse, der er i stand til 700 bar (10.000 psi), er industristandarden. Fugelegemet er en aluminiumsbøsning, der glider hen over aluminiumstrengene og en separat stålbøsning, der griber om stålkernen. De to ærmer sænkes uafhængigt af hinanden; stålbøsningen først, der overfører den fulde nominelle spænding hen over kernen, efterfulgt af aluminiumsbøsningen, som fører strømmen rundt i stålforbindelsen.

Bimetallisk galvanisk korrosion forekommer overalt, hvor aluminiumsledertråde kommer i kontakt med kobberlegeringsbeslag i nærværelse af en elektrolyt. Aluminium, der er anodisk til kobber, korroderer opofrende. Alle kompressionsforbindelser og klemmelegemer til aluminiumsledere skal være lavet af aluminiumslegering eller være fuldt fortinnet for at forhindre direkte kobber-til-aluminium-kontakt. Ved transformerstations blindgydestrukturer, hvor aluminiumsluftledninger overgår til kobberbusværk, isolerer en bimetallisk friktionssvejset overgangsflig de to metaller, mens den giver en strømvej med lav modstand, der er normeret til ledningens fulde kortslutningsstrøm.