Кабель с алюминиевой жилой, армированный сталью - Aluminium-conductor steel-reinforced cable

Образец поперечного сечения силовой линии высокого напряжения (пилона), показывающий 1 прядь (7 проволок) из стали, окруженную 4 концентрическими слоями алюминия.

Кабель с алюминиевой жилой, армированный сталью (ACSR) представляет собой тип многожильного высокопрочного многожильного проводника с большой емкостью, который обычно используется в воздушные линии электропередачи. Внешние пряди высокой чистоты алюминий, выбранный из-за его хорошей проводимости, небольшого веса, низкой стоимости, устойчивости к коррозии и хорошей устойчивости к механическим воздействиям. Центральная прядь стали для дополнительной прочности, помогающей выдержать вес проводника. Сталь имеет более высокую прочность, чем алюминий, что позволяет приложить повышенное механическое напряжение к проводнику. 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 при действующей нагрузке. Эти свойства позволяют ACSR прогибаться значительно меньше, чем у полностью алюминиевых проводников. В соответствии с соглашением об именах Международной электротехнической комиссии (IEC) и CSA Group (бывшая Канадская ассоциация стандартов или CSA) ACSR обозначается A1 / S1A.^[1]

Дизайн

Алюминиевый сплав и закалка, используемые для внешних прядей в Соединенных Штатах и Канаде, обычно составляют 1350-H19, а в других местах - 1370-H19, каждая с содержанием алюминия 99,5 +%. Состояние алюминия определяется суффиксом алюминиевой версии, который в случае H19 является очень твердым. Чтобы продлить срок службы стальных жил, используемых для сердечника проводника, они обычно оцинковываются или покрываются другим материалом для предотвращения коррозии. . Диаметры жил, используемых как для алюминиевых, так и для стальных жил, различаются для разных проводников ACSR.

Кабель ACSR по-прежнему зависит от прочности алюминия на разрыв; это только усиленный сталью. Из-за этого его непрерывная рабочая температура ограничена 75 ° C (167 ° F), температура, при которой алюминий начинает отжиг и со временем смягчатся.^[2] Кабель, прочность которого полностью зависит от стали, поэтому его можно использовать при температурах до 250 ° C (480 ° F), называется алюминиевый провод на стальной опоре (ACSS).

Стальной сердечник

Стандартный стальной сердечник, используемый для ACSR, - это оцинкованная сталь, но цинк, 5% или 10% алюминиевый сплав и следы мишметалл сталь с покрытием (иногда называемая торговыми марками Bezinal или Галфан ) и сталь, плакированная алюминием (иногда называемая торговой маркой Alumoweld), также доступны. Также может использоваться более прочная сталь.

В Соединенных Штатах наиболее часто используемая сталь обозначается как GA2 для оцинкованной стали (G) с толщиной цинкового покрытия класса A (A) и нормальной прочностью (2). Цинковые покрытия класса C толще, чем покрытия класса A, и обеспечивают повышенную защиту от коррозии за счет снижения прочности на разрыв. Сердечник из оцинкованной стали нормальной прочности с толщиной покрытия класса C будет обозначен как GC2. Марки стали более высокой прочности обозначают как высокопрочные (3), сверхвысокопрочные (4) и сверхвысокопрочные (5). Сердечник из сверхпрочной оцинкованной стали с толщиной покрытия класса A будет обозначен как GA5. Использование более прочных стальных сердечников увеличивает предел прочности проводника на растяжение, обеспечивая более высокое напряжение, что приводит к меньшему провисанию.

Покрытия из мишметалла цинк-5% алюминия обозначены буквой «M». Эти покрытия обеспечивают повышенную защиту от коррозии и термостойкость по сравнению с одним цинком. Сталь обычной прочности с покрытием из мишметалла толщиной «А» с обычным прочным покрытием будет обозначаться как МА2.

Сталь, плакированная алюминием, обозначается как AW. Сталь, плакированная алюминием, обеспечивает повышенную защиту от коррозии и проводимость за счет снижения прочности на разрыв. Сталь с алюминиевым покрытием обычно используется для прибрежных работ.

IEC и CSA используют разные соглашения об именах. Наиболее часто используемой сталью является сталь S1A вместо стали стандартной прочности S1 с покрытием класса A. Сталь S1 имеет немного более низкий предел прочности на разрыв, чем обычная прочная сталь, используемая в Соединенных Штатах. По канадским стандартам CSA класс прочности S2A классифицируется как высокопрочная сталь. Эквивалентным материалом по стандартам ASTM является сталь класса прочности GA2, называемая сталью стандартной прочности. Марка прочности CSA S3A классифицируется как сверхвысокопрочная сталь. Эквивалентным материалом по стандартам ASTM является класс прочности GA3, называемый высокой прочностью. В настоящее время стандарты CSA для воздушных проводов официально не признают классы GA4 или GA5, эквивалентные ASTM. Современные стандарты CSA еще официально не признают семейство материалов покрытия из цинкового сплава ASTM «M». Канадские коммунальные предприятия используют проводники, изготовленные из более прочных сталей с покрытием из цинкового сплава «М».

Класть

Укладка проводника определяется четырьмя вытянутыми пальцами; «правое» или «левое» направление укладки определяется в зависимости от того, совпадает ли оно с направлением пальца правой или левой руки соответственно. Подвесные алюминиевые (AAC, AAAC, ACAR) и ACSR-проводники в США всегда производятся с наружным проводящим слоем с правой свивкой. По направлению к центру каждый слой чередуется. Некоторые типы проводов (например, медные воздушные провода, OPGW, сталь EHS) разные и имеют левую наложку на внешний проводник. В некоторых странах Южной Америки для внешнего проводящего слоя ACSR используется левая прокладка, поэтому они намотаны иначе, чем в США.

Размеры

Проводники ACSR доступны в различных размерах, со стальными проволоками с одним или несколькими центрами и, как правило, с большим количеством алюминиевых жил. Хотя используются редко, есть некоторые проводники, у которых стальных жил больше, чем алюминиевых. Провод ACSR можно частично обозначить по его скручиванию, например, провод ACSR с 72 алюминиевыми жилами с сердечником из 7 стальных жил будет называться проводником 72/7 ACSR.^[3]^[4]^[5] Кабели обычно варьируются от №6 AWG («6/1» - шесть внешних алюминиевых проводников и один стальной арматурный провод) до 2167 тысяч кубических миль («72/7» - семьдесят два внешних алюминиевых проводника и семь стальных усиливающих проводов).

Соглашение об именовании

Чтобы избежать путаницы из-за многочисленных комбинаций скрутки стальных и алюминиевых жил, используются кодовые слова для обозначения конкретной версии проводника. В Северной Америке названия птиц используются для кодовых слов, а названия животных используются в других местах. Например, в Северной Америке Гробоклюв - 322,3 мм² (636 тыс. Куб. М) провод ACSR со скрученными алюминиевыми / стальными витками 26/7, тогда как Egret имеет такой же общий размер алюминия (322,3 мм², Провод 636 тыс. Мил), но с витками 30/19 алюминий / сталь. Хотя количество алюминиевых нитей у Grosbeak и Egret разное, разные размеры алюминиевых нитей используются для компенсации изменения количества нитей, так что общее количество алюминия остается неизменным. Различия в количестве стальных жил приводят к разному весу стальной части, а также к разному общему диаметру проводника. Большинство утилит стандартизируют конкретную версию проводника, когда разные версии имеют одинаковое количество алюминия, чтобы избежать проблем, связанных с оборудованием разного размера (например, сращиваниями). Из-за наличия множества различных размеров коммунальные предприятия часто пропускают некоторые из них, чтобы сократить свои запасы. Различные варианты скрутки приводят к различным электрическим и механическим характеристикам.

Рейтинги пропускной способности

Производители ACSR обычно предоставляют таблицы допустимой нагрузки для определенного набора допущений. Отдельные коммунальные предприятия обычно применяют разные рейтинги из-за использования разных предположений (что может привести к более высоким или более низким значениям силы тока, чем те, которые указаны производителями). Существенные переменные включают скорость и направление ветра относительно проводника, интенсивность солнечного света, коэффициент излучения, температуру окружающей среды и максимальную температуру проводника.

Проводящие свойства

В трехфазное распределение электроэнергии, проводники должны иметь низкую электрический импеданс чтобы гарантировать, что мощность, потерянная при распределении мощности, минимальна. Импеданс - это комбинация двух величин: сопротивления и реактивного сопротивления. Сопротивление проводов ASCR для различных конструкций проводников указано производителем в таблице при частоте постоянного и переменного тока с учетом конкретных рабочих температур. Причины, по которым сопротивление изменяется с частотой, во многом связаны с скин эффект, то эффект близости, и потеря гистерезиса. В зависимости от геометрии проводника, которая определяется по названию проводника, эти явления в различной степени влияют на общее сопротивление проводника при переменном и постоянном токе.

Часто не указываются в таблице с проводниками ACSR электрическое реактивное сопротивление длины проводника, что в значительной степени связано с расстоянием между другими проводниками с током и радиусом проводника. Реактивное сопротивление проводника значительно влияет на общий ток, который должен проходить через линию, и, таким образом, способствует резистивным потерям в линии. Для получения дополнительной информации об индуктивности и емкости линии передачи см. передача электроэнергии и воздушная линия электропередачи.

Эффект кожи

В скин эффект уменьшает площадь поперечного сечения, в котором ток проходит через проводник, при увеличении частоты переменного тока. Для переменного тока большая часть (63%) электрического тока проходит между поверхностью и глубиной скин-слоя, δ, которая зависит от частоты тока и электрических (проводимость) и магнитных свойств проводника. Эта уменьшенная площадь вызывает повышение сопротивления из-за обратной зависимости между сопротивлением и площадью поперечного сечения проводника. Скин-эффект приносит пользу конструкции, так как он вызывает концентрацию тока в направлении алюминия с низким удельным сопротивлением на внешней стороне проводника. Чтобы проиллюстрировать влияние скин-эффекта, стандарт Американского общества испытаний и материалов (ASTM) включает проводимость стального сердечника при расчете сопротивления проводника постоянному и переменному току, но стандарты (IEC) и CSA Group этого не делают. .

Эффект близости

В проводнике (ACSR и другие типы), несущем переменный ток, если токи протекают через один или несколько других соседних проводников, распределение тока внутри каждого проводника будет ограничиваться меньшими областями. Возникающая в результате текущая скученность называется эффектом близости. Это скопление приводит к увеличению эффективного сопротивления цепи переменного тока, причем эффект при 60 Гц больше, чем при 50 Гц. Геометрия, проводимость и частота являются факторами, определяющими степень эффекта близости.

Эффект близости является результатом изменения магнитного поля, которое влияет на распределение электрического тока, протекающего в электрическом проводнике из-за электромагнитной индукции. Когда переменный ток (AC) протекает через изолированный проводник, он создает вокруг него соответствующее переменное магнитное поле. 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 проходит в том же направлении.

Потеря гистерезиса

Гистерезис в проводнике ACSR возникает из-за изменения направления атомных диполей в стальном сердечнике из-за индукции переменного тока 60 или 50 Гц в проводнике. Гистерезисные потери в ACSR нежелательны и могут быть минимизированы за счет использования четного числа алюминиевых слоев в проводнике. Из-за компенсирующего эффекта магнитного поля от противоположных проводников (правого и левого) для двух слоев алюминия в стальном сердечнике значительно меньше гистерезисных потерь, чем для одного или трех слоев алюминия, где магнитная поле не отменяется.

Эффект гистерезиса незначителен для проводников ACSR с четным числом слоев алюминия, поэтому в этих случаях он не учитывается. Однако для проводников ACSR с нечетным количеством алюминиевых слоев коэффициент намагничивания используется для точного расчета сопротивления переменному току. Метод коррекции для однослойного ACSR отличается от того, который используется для трехслойных проводников. Из-за применения коэффициента намагничивания провод с нечетным числом слоев имеет сопротивление переменному току немного выше, чем эквивалентный провод с четным числом слоев.

Из-за более высоких гистерезисных потерь в стали и связанного с этим нагрева сердечника конструкция с нечетным слоем будет иметь более низкую допустимую нагрузку (до 10% снижения), чем конструкция с эквивалентным четным слоем.

Все стандартные проводники ACSR меньше, чем у Partridge (135,2 мм² {266,8 kcmil} 26/7 Aluminium / Steel) имеют только один слой из-за их малого диаметра, поэтому невозможно избежать гистерезисных потерь.

Нестандартные конструкции

ACSR широко используется благодаря своей эффективной и экономичной конструкции. В некоторых случаях используются варианты стандартных (иногда называемых традиционными или обычными) ACSR из-за предлагаемых ими особых свойств, которые обеспечивают достаточное преимущество, чтобы оправдать их дополнительные расходы. Специальные проводники могут быть более экономичными, предлагать повышенную надежность или обеспечивать уникальное решение сложной или невозможной конструктивной проблемы.

К основным типам специальных проводников относятся «трапециевидный проводник» (TW) - проводник, имеющий алюминиевые жилы трапециевидной формы, а не круглой) и «самозатухающий» (SD), иногда называемый «самозатухающим проводником» (SDC). . Также доступен аналогичный, более высокотемпературный проводник из отожженного алюминия, называемый «алюминиевый проводник со стальной опорой» (ACSS).^[6]

Проволока трапециевидная

Проволока трапециевидной формы (TW) может использоваться вместо круглой проволоки для «заполнения зазоров» и иметь на 10–15% меньший общий диаметр при той же площади поперечного сечения или на 20–25% большее поперечное сечение. площадь сечения при одинаковом габаритном диаметре.

Компания Ontario Hydro (Hydro One) представила конструкции проводников ACSR трапециевидной формы в 1980-х годах, чтобы заменить существующие конструкции ACSR с круглыми проводами (они назвали их компактными проводниками; эти типы проводов теперь называются ACSR / TW). В конструкции проволоки трапециевидной формы (TW) Ontario Hydro использовался тот же стальной сердечник, но повышенное содержание алюминия в проводнике, чтобы соответствовать общему диаметру прежних конструкций с круглой проволокой (тогда они могли использовать одни и те же крепежные детали как для круглой, так и для круглой проволоки). Проводники TW). В конструкции Hydro One трапециевидных проводников ACSR / TW используется только четное количество слоев алюминия (два или четыре слоя). В них не используются конструкции с нечетным числом слоев (три слоя), поскольку такая конструкция приводит к более высоким гистерезисным потерям в стальном сердечнике. Также в 1980-х годах Bonneville Power Administration (BPA) представила конструкции TW, в которых размер стального сердечника был увеличено, чтобы сохранить то же соотношение алюминия и стали.

Самозатухающий

Самозатухание (ACSR / SD) - это почти устаревшая технология проводников, которая редко используется в новых установках. Это многожильный самозатухающий провод с концентрической свивкой, предназначенный для управления ветром (Эолового типа ) вибрация в воздушных линиях электропередачи за счет внутреннего демпфирования. Самозатухающие проводники состоят из центральной жилы из одной или нескольких круглых стальных проволок, окруженных двумя слоями алюминиевых проволок трапециевидной формы. При необходимости можно добавить один или несколько слоев круглой алюминиевой проволоки.

Провод SD отличается от обычного ACSR тем, что алюминиевые провода в первых двух слоях имеют трапециевидную форму и размер, так что каждый алюминиевый слой образует скрученную трубку, которая не сжимается на нижний слой при растяжении, но сохраняет небольшой кольцевой зазор между слоями . Слои трапециевидной проволоки отделены друг от друга и от стального сердечника двумя меньшими кольцевыми зазорами, которые позволяют перемещаться между слоями. Слои круглой алюминиевой проволоки плотно контактируют друг с другом и с нижележащим трапециевидным слоем проволоки.

Под действием вибрации стальной сердечник и алюминиевые слои колеблются с разной частотой и в результате амортизируются. Этого демпфирования ударов достаточно, чтобы удерживать любую эоловую вибрацию на низком уровне. Использование трапециевидных жил также приводит к уменьшению диаметра проводника при заданном сопротивлении переменному току на милю.

Основными преимуществами ACSR / SD являются:

Высокое самозатухание позволяет использовать более высокие уровни натяжения без нагрузки, что приводит к уменьшению максимального прогиба и, следовательно, к уменьшению высоты конструкции и / или меньшему количеству конструкций на км [или милю].
Уменьшенный диаметр при заданном сопротивлении переменному току снижает поперечную ветровую и ледовую нагрузку на конструкцию.

Основными недостатками ACSR / SD являются:

Скорее всего, увеличатся затраты на установку и клипсование из-за особых требований к оборудованию и специальных методов натяжения.
Конструкция проводника всегда требует использования стального сердечника даже в зонах небольшой нагрузки.

Опора из стали с алюминиевыми проводниками

Проводник со стальной опорой на алюминиевый проводник (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 гораздо большему проценту натяжения проводника, переносимому в стальном сердечнике, чем это справедливо для стандартного ACSR. Это, в свою очередь, снижает тепловое удлинение композита и увеличивает самозатухание.

Основными преимуществами ACSS являются:

Поскольку алюминиевые жилы с самого начала являются «мертвенно-мягкими», проводник можно эксплуатировать при температурах выше 200 ° C (392 ° F) без потери прочности.
Поскольку натяжение алюминиевых нитей обычно невелико, самозатухание эоловой вибрации у проводника высокое, и его можно устанавливать при высоких уровнях натяжения без нагрузки без необходимости в отдельных амортизаторах Стокбриджского типа.

Основными недостатками ACSS являются:

В районах с большой ледовой нагрузкой меньшая прочность этого проводника по сравнению со стандартным ACSR может сделать его менее желательным.
Мягкость отожженных алюминиевых нитей и возможная потребность в предварительном напряжении перед обрезкой и провисанием могут повысить затраты на установку.

Витая пара

В проводе витой пары (TP) (иногда называемом торговыми марками T-2 или VR) два субпроводника скручены (обычно с левосторонней прокладкой) друг относительно друга, как правило, с длиной прокладки примерно три метра (девять ноги).^[7]^{[неудачная проверка ]}^[6]

Сечение проводника ТП представляет собой вращающуюся «восьмерку». Субпроводники могут быть любого типа стандартного проводника ACSR, но проводники должны соответствовать друг другу для обеспечения механического баланса.

Основными преимуществами проводника ТП являются:

Использование кондуктора TP снижает вероятность того, что на линии начнется галопирование льда / ветра. Во время ледяной бури, когда ледяные отложения начинают накапливаться вдоль проводника, скрученный профиль проводника препятствует формированию однородной формы аэродинамического профиля. У стандартного круглого проводника форма аэродинамического профиля приводит к подъему проводника и началу галопирующего движения. Профиль проводника TP и это отсутствие однородной формы аэродинамического профиля препятствуют началу галопирующего движения. Уменьшение движения во время обледенения помогает предотвратить контакт фазных проводов друг с другом, вызывая неисправность и связанный с этим выход из строя электрической цепи. С уменьшением движений большой амплитуды можно использовать более близкий фазовый интервал или более длинные пролеты. Это, в свою очередь, может снизить стоимость строительства. Проводник TP обычно устанавливается только в местах, которые обычно подвергаются воздействию скорости ветра и отрицательных температур, связанных с образованием льда.
Некруглая форма этого проводника снижает амплитуду эоловой вибрации и сопутствующих деформаций, вызывающих усталость, вблизи стыков и зажимов для крепления проводов. Проводники TP могут плавно вращаться для рассеивания энергии. В результате, провод TP может быть установлен с более высоким уровнем натяжения и уменьшенными провисаниями.

Основными недостатками проводника TP являются:

Некруглое поперечное сечение дает ветровые и ледовые нагрузки, которые примерно на 11% выше, чем у стандартного проводника с таким же сопротивлением переменному току на милю.
Установка и оборудование этого проводника может быть несколько дороже, чем стандартный провод.

Сращивание

Многие электрические цепи длиннее, чем длина проводника, который может содержаться на одной катушке. В результате часто требуется сращивание, чтобы соединить вместе проводники, чтобы обеспечить желаемую длину. Важно, чтобы соединение не было слабым звеном. Соединение (соединение) должно иметь высокую физическую прочность и высокий номинальный электрический ток. В пределах ограничений оборудования, используемого для установки проводника с катушек, обычно покупается такой длинный проводник, который может вместить катушка, чтобы избежать большего количества стыков, чем это абсолютно необходимо.

Сращивания должны работать холоднее, чем проводник. Температура стыка поддерживается более низкой за счет большей площади поперечного сечения и, следовательно, меньшего электрического сопротивления, чем у проводника. Тепло, выделяемое на стыке, также быстрее рассеивается из-за большего диаметра стыка.

Отказы сращивания представляют собой серьезную проблему, поскольку отказ только одного сращивания может вызвать отключение, которое влияет на большую электрическую нагрузку.

Большинство стыков - это стыки компрессионного типа (обжимки ). Эти сращивания недорогие и обладают хорошими характеристиками прочности и проводимости.

В некоторых соединениях, называемых автоматическими, используется конструкция зажимного типа, которая быстрее устанавливается (не требует тяжелого компрессионного оборудования) и часто используются во время восстановления после урагана, когда скорость монтажа более важна, чем долговременная производительность соединения.

Причины сбоев сварки многочисленны. Некоторые из основных видов отказов связаны с проблемами установки, например: недостаточная очистка (очистка проволочной щеткой) проводника для устранения неисправности. оксид алюминия слой (который имеет высокое сопротивление (плохой электрический проводник)), неправильное нанесение токопроводящей смазки, неправильная сила сжатия, неправильные места сжатия или количество сжатий.

Сбои в сварке также могут быть вызваны эоловой вибрацией, поскольку небольшие колебания проводника с течением времени вызывают повреждение (разрыв) алюминиевых жил вблизи концов сращивания.

Для проводов типа SD требуются специальные стыки (двухкомпонентные стыки), поскольку зазор между трапециевидным алюминиевым слоем и стальным сердечником предотвращает достаточное усилие сжатия на стыке со стальным сердечником. Конструкция, состоящая из двух частей, имеет стык для стального сердечника и стык большей длины и большего диаметра для алюминиевой части. Наружный стык должен быть сначала нарезан и продвинут вдоль проводника, а стальной стык сначала сжимается, а затем внешний стык продвигается обратно по меньшему стыку, а затем сжимается. Этот сложный процесс легко может привести к плохой сварке.^[8]

Соединения также могут частично выходить из строя, когда они имеют более высокое сопротивление, чем ожидалось, обычно через некоторое время в полевых условиях. Их можно обнаружить с помощью тепловизора, тепловых датчиков и прямых измерений сопротивления, даже когда линия находится под напряжением. Такие сращивания обычно требуют замены либо на обесточенной линии, либо путем временного байпаса для его замены, либо путем добавления большого сращивания к существующему стыку без отключения.

Покрытия проводников

Когда ACSR новый, алюминий имеет блестящую поверхность, которая имеет низкий коэффициент излучения тепла и низкое поглощение солнечного света. По мере старения проводника цвет становится тускло-серым из-за реакции окисления алюминиевых жил. В окружающей среде с высоким уровнем загрязнения цвет может почти стать черным после многих лет воздействия элементов и химикатов. Для старых проводников коэффициент излучения теплового излучения и поглощения солнечного света увеличивается. Доступны покрытия для проводников, которые обладают высокой излучательной способностью для высокого теплового излучения и низким поглощением солнечного света. Эти покрытия будут наноситься на новый проводник во время изготовления. Эти типы покрытий могут потенциально увеличить номинальный ток проводника ACSR. При той же силе тока температура того же проводника будет ниже из-за лучшего рассеивания тепла покрытия с более высоким коэффициентом излучения.^[9]