_line.jpg/1280px-Sample_cross-section_of_high_tension_power_(pylon)_line.jpg)
Алюминиевый проводник, армированный сталью ( ACSR ) — это тип высокопрочного многожильного провода высокой емкости, обычно используемого в воздушных линиях электропередач . Внешние жилы изготовлены из алюминия высокой чистоты , выбранного за его хорошую проводимость, малый вес, низкую стоимость, устойчивость к коррозии и достойную устойчивость к механическим нагрузкам. Центральная жила изготовлена из стали для дополнительной прочности, чтобы помочь выдержать вес проводника. Сталь имеет более высокую прочность, чем алюминий, что позволяет прикладывать к проводнику повышенное механическое натяжение. Сталь также имеет более низкую упругую и неупругую деформацию (остаточное удлинение) из-за механической нагрузки (например, ветра и льда), а также более низкий коэффициент теплового расширения под токовой нагрузкой. Эти свойства позволяют ACSR провисать значительно меньше, чем полностью алюминиевые проводники. Согласно соглашению об именовании Международной электротехнической комиссии (МЭК) и CSA Group (ранее Канадской ассоциации стандартов или CSA), ACSR обозначается A1/S1A. [1]
Алюминиевый сплав и закалка, используемые для внешних жил в Соединенных Штатах и Канаде, обычно 1350-H19, а в других местах 1370-H19, каждый с содержанием алюминия 99,5+%. Закалка алюминия определяется суффиксом версии алюминия, который в случае H19 означает сверхтвердый. Чтобы продлить срок службы стальных жил, используемых для сердечника проводника, их обычно оцинковывают или покрывают цинком для предотвращения коррозии. Диаметры жил, используемых как для алюминиевых, так и для стальных жил, различаются для разных проводов ACSR.
Кабель ACSR по-прежнему зависит от прочности алюминия на разрыв; он только усилен сталью. Из-за этого его постоянная рабочая температура ограничена 75 °C (167 °F), температурой, при которой алюминий начинает отжигаться и размягчаться с течением времени. [2] В ситуациях, когда требуются более высокие рабочие температуры, может использоваться алюминиевый проводник со стальной опорой ( ACSS ).
Стандартный стальной сердечник, используемый для ACSR, — это оцинкованная сталь, но также доступны цинк, 5% или 10% алюминиевый сплав и сталь с покрытием из микрочастиц мишметалла (иногда называемая под торговыми наименованиями Bezinal или Galfan ) и сталь, плакированная алюминием (иногда называемая под торговым наименованием Alumoweld). Также может использоваться сталь более высокой прочности.
В Соединенных Штатах наиболее часто используемая сталь обозначается GA2 для оцинкованной стали (G) с толщиной цинкового покрытия класса A (A) и обычной прочностью (2). Цинковые покрытия класса C толще, чем у класса A, и обеспечивают повышенную защиту от коррозии за счет снижения прочности на разрыв. Оцинкованный стальной сердечник обычной прочности с толщиной покрытия класса C будет обозначаться GC2. Более прочные марки стали обозначаются как высокопрочные (3), сверхвысокопрочные (4) и сверхвысокопрочные (5). Сверхвысокопрочный оцинкованный стальной сердечник с толщиной покрытия класса A будет обозначаться GA5. Использование более прочных стальных сердечников увеличивает прочность на разрыв проводника, что позволяет использовать более высокие натяжения, что приводит к меньшему провисанию.
Мишметаллические покрытия цинк-5% алюминия обозначаются буквой "M". Эти покрытия обеспечивают повышенную защиту от коррозии и термостойкость по сравнению с одним цинком. Сталь обычной прочности класса "A" с покрытием толщиной и весом мишметалла будет обозначаться MA2.
Алюминиевая плакированная сталь обозначается как "AW". Алюминиевая плакированная сталь обеспечивает повышенную защиту от коррозии и проводимость за счет снижения прочности на разрыв. Алюминиевая плакированная сталь обычно используется для прибрежных применений.
IEC и CSA используют разные соглашения об именовании. Наиболее часто используемая сталь — S1A для обычной стали прочности S1 с покрытием класса A. Сталь S1 имеет немного меньшую прочность на разрыв, чем обычная сталь прочности, используемая в Соединенных Штатах. Согласно канадским стандартам CSA, класс прочности S2A классифицируется как высокопрочная сталь. Эквивалентным материалом согласно стандартам ASTM является класс прочности GA2, называемый обычной сталью прочности. Класс прочности CSA S3A классифицируется как сверхвысокопрочная сталь. Эквивалентным материалом согласно стандартам ASTM является класс прочности GA3, называемый высокой прочностью. Современные стандарты CSA для воздушных электрических проводников пока официально не признают эквивалентные марки ASTM GA4 или GA5. Современные стандарты CSA пока официально не признают семейство материалов покрытия из цинкового сплава ASTM «M». Канадские коммунальные службы используют проводники, изготовленные из сталей повышенной прочности с покрытием из цинкового сплава «M».
Скрутка проводника определяется четырьмя вытянутыми пальцами; «правое» или «левое» направление скрутки определяется в зависимости от того, совпадает ли оно с направлением пальцев с правой или левой руки соответственно. Алюминиевые воздушные провода (AAC, AAAC, ACAR) и ACSR в США всегда производятся с внешним проводящим слоем с правой скруткой. Двигаясь к центру, каждый слой имеет чередующиеся скрутки. Некоторые типы проводников (например, медный воздушный проводник, OPGW , стальной EHS) отличаются и имеют левую скрутку на внешнем проводнике. Некоторые страны Южной Америки указывают левую скрутку для внешнего проводящего слоя на своих ACSR, поэтому они наматываются иначе, чем те, которые используются в США.
Провода ACSR доступны в многочисленных специальных размерах, с одной или несколькими центральными стальными проволоками и, как правило, большим количеством алюминиевых жил. Хотя они используются редко, существуют некоторые проводники, которые имеют больше стальных жил, чем алюминиевых жил. Провод ACSR может быть частично обозначен по его скрутке, например, провод ACSR с 72 алюминиевыми жилами с сердечником из 7 стальных жил будет называться проводом ACSR 72/7. [3] [4] [5] Кабели обычно варьируются от #6 AWG ("6/1" - шесть внешних алюминиевых жил и одна стальная армирующая жила) до 2167 kcmil ("72/7" - семьдесят две внешние алюминиевые жилы и семь стальных армирующих жил).
Чтобы избежать путаницы из-за многочисленных комбинаций скрутки стальных и алюминиевых жил, для указания конкретной версии проводника используются кодовые слова. В Северной Америке для кодовых слов используются названия птиц, а в других местах — названия животных. Например, в Северной Америке Grosbeak — этоПровод ACSR сечением 322,3 мм2 (636 тыс. круговых милов) с алюминиевой/стальной скруткой 26/7, тогда как Egret имеет тот же общий размер алюминия (322,3 мм2 , проводник 636 kcmil), но с алюминиевой/стальной скруткой 30/19. Хотя количество алюминиевых жил у Grosbeak и Egret отличается, используются разные размеры алюминиевых жил, чтобы компенсировать изменение количества жил, так что общее количество алюминия остается прежним. Различия в количестве стальных жил приводят к разному весу стальной части, а также к разным общим диаметрам проводника. Большинство коммунальных служб стандартизируют определенную версию проводника, когда различные версии одного и того же количества алюминия используются, чтобы избежать проблем, связанных с оборудованием разного размера (например, сращиваниями). Из-за большого количества доступных различных размеров коммунальные службы часто пропускают некоторые из размеров, чтобы сократить свои запасы. Различные версии скрутки приводят к разным электрическим и механическим характеристикам.
Производители ACSR обычно предоставляют таблицы допустимой силы тока для определенного набора предположений. Отдельные коммунальные службы обычно применяют разные номиналы из-за использования различных предположений (что может привести к более высоким или более низким номинальным значениям силы тока, чем те, которые предоставляют производители). Важными переменными являются скорость и направление ветра относительно проводника, интенсивность солнечного света, излучательная способность, температура окружающей среды и максимальная температура проводника.
В трехфазном распределении электроэнергии проводники должны быть спроектированы так, чтобы иметь низкий электрический импеданс , чтобы гарантировать, что потери мощности при распределении мощности минимальны. Импеданс представляет собой комбинацию двух величин: сопротивления и реактивного сопротивления. Сопротивления проводников ASCR приведены в таблицах для различных конструкций проводников производителем при частоте постоянного и переменного тока, предполагающих определенные рабочие температуры. Причины, по которым сопротивление изменяется с частотой, в основном связаны с эффектом скин-эффекта , эффектом близости и потерями на гистерезис . В зависимости от геометрии проводника, которая различается по названию проводника, эти явления имеют различную степень влияния на общее сопротивление в проводнике при частоте переменного и постоянного тока.
Часто не табулируется с проводниками ACSR электрическое реактивное сопротивление проводника, которое в значительной степени обусловлено расстоянием между другими проводниками, по которым идет ток, и радиусом проводника. Реактивное сопротивление проводника вносит значительный вклад в общий ток, который должен проходить через линию, и, таким образом, вносит вклад в резистивные потери в линии. Для получения дополнительной информации об индуктивности и емкости линии электропередачи см. Передача электроэнергии и воздушные линии электропередачи .
Скин - эффект уменьшает площадь поперечного сечения, в которой ток проходит через проводник, по мере увеличения частоты переменного тока. Для переменного тока большая часть (63%) электрического тока протекает между поверхностью и глубиной скин-слоя, δ, которая зависит от частоты тока и электрических (проводимость) и магнитных свойств проводника. Это уменьшение площади приводит к увеличению сопротивления из-за обратной зависимости между сопротивлением и площадью поперечного сечения проводника. Скин-эффект приносит пользу конструкции, поскольку он заставляет ток концентрироваться на алюминии с низким удельным сопротивлением на внешней стороне проводника. Чтобы проиллюстрировать влияние скин-эффекта, стандарт Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM) включает проводимость стального сердечника при расчете сопротивления постоянного и переменного тока проводника, но стандарты IEC и CSA Group этого не делают.
В проводнике (ACSR и других типах), проводящем переменный ток, если токи протекают через один или несколько других близлежащих проводников, распределение тока внутри каждого проводника будет ограничено меньшими областями. Результирующее скопление тока называется эффектом близости. Это скопление приводит к увеличению эффективного сопротивления переменного тока цепи, причем эффект при 60 Гц больше, чем при 50 Гц. Геометрия, проводимость и частота являются факторами, определяющими величину эффекта близости.
Эффект близости является результатом изменения магнитного поля, которое влияет на распределение электрического тока, протекающего внутри электрического проводника из-за электромагнитной индукции. Когда переменный ток (AC) протекает через изолированный проводник, он создает связанное с ним переменное магнитное поле вокруг него. Переменное магнитное поле индуцирует вихревые токи в соседних проводниках, изменяя общее распределение тока, протекающего через них.
В результате ток концентрируется в областях проводника, наиболее удаленных от соседних проводников, по которым ток течет в том же направлении.
Гистерезис в проводнике ACSR обусловлен тем, что атомные диполи в стальном сердечнике меняют направление из-за индукции переменного тока частотой 60 или 50 Гц в проводнике. Потери на гистерезис в ACSR нежелательны и могут быть минимизированы путем использования четного числа слоев алюминия в проводнике. Из-за эффекта компенсации магнитного поля от противоположных свивок (правого и левого) проводников для двух слоев алюминия потери на гистерезис в стальном сердечнике значительно меньше, чем для одного или трех слоев алюминия, где магнитное поле не компенсируется.
Эффект гистерезиса незначителен для проводов ACSR с четным числом слоев алюминия, поэтому в этих случаях он не учитывается. Однако для проводов ACSR с нечетным числом слоев алюминия для точного расчета сопротивления переменному току используется коэффициент намагничивания. Метод коррекции для однослойных проводов ACSR отличается от метода, используемого для трехслойных проводов. Из-за применения коэффициента намагничивания проводник с нечетным числом слоев имеет сопротивление переменному току немного выше, чем эквивалентный проводник с четным числом слоев.
Из-за более высоких потерь на гистерезис в стали и связанного с этим нагрева сердечника конструкция с нечетными слоями будет иметь более низкую номинальную допустимую токовую нагрузку (снижение до 10%), чем эквивалентная конструкция с четными слоями.
Все стандартные проводники ACSR меньше, чем Partridge (135,2 мм2 { 266,8 тыс. круговых милов} 26/7 Алюминий/Сталь) имеют только один слой из-за их малого диаметра, поэтому невозможно избежать потерь на гистерезис.
ACSR широко используется благодаря своей эффективной и экономичной конструкции. Вариации стандартного ACSR (иногда называемого традиционным или обычным) используются в некоторых случаях из-за особых свойств, которые они предлагают, что обеспечивает достаточное преимущество, чтобы оправдать их дополнительные расходы. Специальные проводники могут быть более экономичными, обеспечивать повышенную надежность или предоставлять уникальное решение для сложной или невозможной проблемы проектирования.
Основные типы специальных проводников включают в себя «трапециевидный проводник» (TW) — проводник с алюминиевыми жилами трапециевидной, а не круглой формы) и «самозатухающий» (SD), иногда называемый «самозатухающим проводником» (SDC). Также доступен похожий, более высокотемпературный проводник из отожженного алюминия, называемый «алюминиевый проводник со стальной опорой» (ACSS). [6]
Проволоку трапециевидной формы (TW) можно использовать вместо круглой проволоки, чтобы «заполнить пробелы» и иметь на 10–15% меньший общий диаметр при той же площади поперечного сечения или на 20–25% большую площадь поперечного сечения при том же общем диаметре.
Компания Ontario Hydro (Hydro One) представила трапециевидные конструкции проводов ACSR в 1980-х годах для замены существующих конструкций из круглой проволоки ACSR (они называли их компактными проводниками; эти типы проводников теперь называются ACSR/TW). Конструкции трапециевидной проволоки (TW) компании Ontario Hydro использовали тот же стальной сердечник, но увеличили содержание алюминия в проводнике, чтобы соответствовать общему диаметру прежних конструкций из круглой проволоки (тогда они могли использовать те же самые крепежные элементы как для круглых, так и для TW проводников). Конструкции Hydro One для своих трапециевидных проводов ACSR/TW используют только четное количество алюминиевых слоев (либо два слоя, либо четыре слоя). Они не используют конструкции с нечетным количеством слоев (три слоя) из-за того, что такая конструкция приводит к более высоким потерям на гистерезис в стальном сердечнике. Также в 1980-х годах Управление энергетики Бонневилля (BPA) представило конструкции TW, в которых размер стального сердечника был увеличен для поддержания того же соотношения алюминия и стали.
Самодемпфирование (ACSR/SD) — почти устаревшая технология проводников, которая редко используется для новых установок. Это концентрически скрученный, самодемпфирующий проводник, разработанный для контроля ветровой вибрации ( эолового типа ) в воздушных линиях электропередачи с помощью внутреннего демпфирования. Самодемпфирующие проводники состоят из центрального сердечника из одной или нескольких круглых стальных проволок, окруженных двумя слоями трапециевидных алюминиевых проволок. При необходимости можно добавить один или несколько слоев круглых алюминиевых проволок.
Провод SD отличается от обычного ACSR тем, что алюминиевые провода в первых двух слоях имеют трапециевидную форму и размеры, так что каждый алюминиевый слой образует многожильно скрученную трубку, которая не сжимается на нижнем слое при натяжении, но сохраняет небольшой кольцевой зазор между слоями. Трапециевидные слои проволоки отделены друг от друга и от стального сердечника двумя меньшими кольцевыми зазорами, которые допускают движение между слоями. Круглые слои алюминиевой проволоки находятся в плотном контакте друг с другом и с лежащим ниже трапециевидным слоем проволоки.
При вибрации стальной сердечник и алюминиевые слои вибрируют с разной частотой, что приводит к демпфированию ударов. Это демпфирование ударов достаточно для того, чтобы удерживать любые эоловые вибрации на низком уровне. Использование трапециевидных жил также приводит к уменьшению диаметра проводника для заданного сопротивления переменного тока на милю.
Основные преимущества ACSR/SD:
Основными недостатками ACSR/SD являются:
Проводник с алюминиевой жилой на стальной основе (ACSS) визуально выглядит похожим на стандартный ACSR, но алюминиевые жилы полностью отожжены. Отжиг алюминиевых жил снижает прочность композитного проводника, но после установки постоянное удлинение алюминиевых жил приводит к тому, что гораздо больший процент натяжения проводника переносится в стальном сердечнике, чем это имеет место для стандартного ACSR. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению теплового удлинения композита и повышению самозатухания.
Основными преимуществами ACSS являются:
Основными недостатками ACSS являются:
Проводник витой пары (TP) (иногда называемый под торговыми наименованиями T-2 или VR) имеет два подпроводника, скрученных (обычно с левой скруткой) друг вокруг друга, как правило, с длиной скрутки около трех метров (девять футов). [7] [ проверка не пройдена ] [6]
Поперечное сечение проводника TP представляет собой вращающуюся «восьмерку». Субпроводники могут быть любым типом стандартного проводника ACSR, но проводники должны соответствовать друг другу для обеспечения механического баланса.
Основными преимуществами проводника TP являются:
Основными недостатками проводника TP являются:
Многие электрические цепи длиннее, чем длина проводника, который может быть намотан на одну катушку. В результате для соединения проводников с целью получения желаемой длины часто требуется сращивание. Важно, чтобы сращивание не было слабым звеном. Сращивание (соединение) должно иметь высокую физическую прочность наряду с высоким номинальным током. В пределах ограничений оборудования, используемого для установки проводника с катушек, обычно приобретается достаточная длина проводника, которую может вместить катушка, чтобы избежать большего количества сращиваний, чем это абсолютно необходимо.
Сращивания разработаны так, чтобы работать холоднее, чем проводник. Температура сращивания поддерживается на более низком уровне за счет большей площади поперечного сечения и, следовательно, меньшего электрического сопротивления, чем у проводника. Тепло, выделяемое в сращивании, также рассеивается быстрее из-за большего диаметра сращивания.
Неисправности соединений вызывают беспокойство, поскольку отказ даже одного соединения может привести к отключению, которое повлияет на большую часть электрической нагрузки.
Большинство соединений — это соединения компрессионного типа ( обжимные соединения ). Такие соединения недороги и обладают хорошими прочностными и электропроводящими характеристиками.
Некоторые соединения, называемые автоматическими, используют конструкцию зажимного типа, которая быстрее устанавливается (не требует тяжелого оборудования для сжатия) и часто используется во время восстановления после шторма, когда скорость установки важнее, чем долгосрочная эксплуатация соединения.
Причин выхода из строя соединений множество. Некоторые из основных видов отказов связаны с проблемами монтажа, такими как: недостаточная очистка (зачистка проволочной щеткой) проводника для устранения слоя оксида алюминия (который имеет высокое сопротивление {является плохим проводником электричества}), неправильное нанесение токопроводящей смазки, неправильное усилие сжатия, неправильные места сжатия или количество сжатий.
Разрывы соединений также могут быть вызваны повреждением из-за эоловой вибрации, поскольку небольшие колебания проводника со временем вызывают повреждение (разрыв) алюминиевых жил вблизи концов соединения.
Специальные соединения (двухсекционные соединения) требуются для проводников типа SD, поскольку зазор между трапециевидным алюминиевым слоем и стальным сердечником препятствует тому, чтобы сила сжатия соединения со стальным сердечником была достаточной. Двухсекционная конструкция имеет соединение для стального сердечника и более длинное и большего диаметра соединение для алюминиевой части. Внешнее соединение должно быть сначала нарезано и скользить вдоль проводника, а стальное соединение сначала сжимается, а затем внешнее соединение смещается назад по меньшему соединению и затем сжимается. Этот сложный процесс может легко привести к плохому соединению. [8]
Сращивания также могут частично выйти из строя, когда сопротивление выше ожидаемого, обычно после некоторого времени в полевых условиях. Это можно обнаружить с помощью тепловизионной камеры, тепловых зондов и прямых измерений сопротивления, даже когда линия находится под напряжением. Такие сращивания обычно требуют замены, либо на обесточенной линии, путем выполнения временного обхода для ее замены, либо путем добавления большого сращивания поверх существующего сращивания без отключения.
Когда ACSR новый, алюминий имеет блестящую поверхность с низкой излучательной способностью для теплового излучения и низким поглощением солнечного света. По мере старения проводника цвет становится тускло-серым из-за реакции окисления алюминиевых жил. В средах с высоким загрязнением цвет может стать почти черным после многих лет воздействия элементов и химикатов. Для старого проводника излучательная способность для теплового излучения и поглощения солнечного света увеличивается. Доступны покрытия проводников, которые имеют высокую излучательную способность для сильного теплового излучения и низкое поглощение солнечного света. Эти покрытия будут нанесены на новый проводник во время производства. Эти типы покрытий потенциально способны увеличить номинальный ток проводника ACSR. При той же силе тока температура того же проводника будет ниже из-за лучшего рассеивания тепла покрытием с более высокой излучательной способностью. [9]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )