Luftledning: Typer, val och installation

Att välja rätt överliggande elektrisk kabel för en transmissions- eller distributionsledning krävs balansering av tre inbördes beroende variabler: kontinuerlig strömförande kapacitet, mekanisk draghållfasthet och långvarigt hängbeteende under maximal driftstemperatur . För de flesta medel- och högspänningstillämpningar är stålförstärkt aluminiumledare (ACSR) standardvalet eftersom den galvaniserade stålkärnan bär cirka 55 % till 65 % av den totala spänningen medan aluminiumtrådarna bär strömmen, en separation av funktioner som ingen homogen ledare kan matcha till motsvarande kostnad.

Ledartyper och materialsammansättning

Luftkablar klassificeras efter ledarens material och trådningskonfiguration. De tre primära kalledarefamiljerna dominerar marknaden, var och en lämpad för olika spännlängder och miljöförhållanden.

ACSR, eller Aluminum Conductor Steel-Reinforced, består av en koncentrisk tvinnad stålkärna omgiven av ett eller flera lager av hårt dragna 1350-H19 aluminiumtrådar. Stålkärnan, tillgänglig i olika hållfasthetsgrader, ger draghållfastheten, medan aluminiumskikten leder strömmen med en konduktivitet på 61,2 % IACS (Internationell glödgat kopparstandard). En typisk ACSR "Drake"-ledare, med en 26/7-trådning och en total diameter på 28,14 mm, uppnår en nominell draghållfasthet på 140 kN och en kontinuerlig effekt på cirka 907 ampere vid 75°C under måttliga vindförhållanden.

AAAC, ledaren helt i aluminiumlegering, använder en homogen tråd av 6201-T81 aluminiumlegeringstrådar. Denna legering innehåller magnesium och kisel för att uppnå en draghållfasthet som är ungefär dubbelt så stor som för 1350-H19 elektriskt ledare aluminium, vilket eliminerar behovet av en stålkärna. AAAC-ledare specificeras där korrosion av stålkärnan är ett problem, särskilt i kustnära eller industriella miljöer med luftburna klorider eller svavelföreningar. Frånvaron av en magnetisk stålkärna eliminerar också hysteres och virvelströmsförluster, vilket minskar AC-motståndet med ca. 3 % till 5 % jämfört med en ACSR med likvärdig diameter under samma belastningsström.

AAC, ledaren helt i aluminium tillverkad helt av 1350-H19 trådar, erbjuder den högsta ledningsförmågan per viktenhet men den lägsta draghållfastheten. Dess användning är begränsad till korta spännvidder i stadsdistributionsnät och samlingsskenor inom transformatorstationer, där spännlängden sällan överstiger 50 meter och ledaren inte krävs för att motstå höga is- eller vindbelastningar.

Jämförande prestanda för standardledaretyper

Grunderna för ampacitet och termisk klassificering

Ampasiteten hos en elektrisk ledningskabel är inte ett fast tal utan en funktion av värmebalansen mellan resistiva förluster (I²R-uppvärmning), solstrålning som absorberas av ledarytan, konvektiv kylning från vind och strålningsvärmeförlust till himlen. IEEE 738-standarden definierar den termiska ekvationen för stabilt tillstånd som styr denna balans. Under värsta tänkbara antaganden om full sol, låg vindhastighet på 0,6 m/s och en omgivningstemperatur på 40°C, kan ampaciteten hos en given ledare vara 25 % till 35 % lägre än det värde som publicerats för måttliga vårförhållanden.

Ledardriftstemperatur är den oberoende variabeln som styr nedhängning. Standard ACSR-ledare är klassade för kontinuerlig drift vid 75°C, 90°C eller 100°C , med högre temperaturer tillåtna för nödsituationer eller kortvariga toppbelastningsförhållanden. Över 93°C börjar aluminiumtrådarna att härda, vilket permanent minskar deras draghållfasthet. Högtemperatur-lågsag-ledare (HTLS) som ACSS, G(Z)TACSR och ACCR använder helt härdade aluminium- eller kompositkärnor för att arbeta kontinuerligt vid 150°C till 210°C , ungefär fördubbling av ampaciteten hos en konventionell ACSR-linje inom samma framträdesrätt utan att kräva högre torn.

Sag-spänningsberäkning och strängningsövningar

Förhållandet mellan ledarspänning och nedhängning styrs av kontaktledningsekvationen, som för spännvidder kortare än 300 meter förenklas till en parabolisk approximation med acceptabelt fel. Designprocessen börjar med det härskande spännviddskonceptet, en viktad genomsnittlig spännlängd som representerar det ekvivalenta mekaniska beteendet hos en hel spänningssektion mellan återvändsgränder. Den initiala avlastade spänningen vid den lägsta strängningstemperaturen, vanligtvis -20°C eller 0°F , måste ställas in så att ledaren inte överstiger 60 % av dess nominella brottstyrka under den svåraste kombinationen av is- och vindlaster som specificeras av National Electrical Safety Code (NESC) för det geografiska lastområdet.

Strängning är inte bara att dra ledaren till en målspänning och klämma fast den. Ledaren måste spännas till ett sänkningsvärde mätt genom siktning över spännvidden med en genomgångs- eller digital sagometer, med ledaren vid en känd enhetlig temperatur. För en 300-meters spännvidd av ACSR Drake vid 15°C utan vind eller is, är målet ca. 6,5 meter , motsvarande en horisontell spänning på ca 17 kN. Efter att ha klämts in, slappnar ledaren av genom strängsättning och metallurgisk krypning och tappar ungefär 10 % till 15 % av den initiala spänningen under de första 1 000 timmarna av drift . Strängsänkningen måste förutse detta kryp genom att sikta på en överspänning på 10 % till 12 %, som sedan slappnar av till designens slutliga häng.

Eolisk vibration och ledardämpning

När en jämn laminär vind passerar över en luftkabel med hastigheter mellan 1 och 7 m/s, fäller den växlande Kármán-virvlar som inducerar en cyklisk lyftkraft vinkelrätt mot vindriktningen. Denna eoliska vibration, med frekvenser vanligtvis inom intervallet 3 till 150 Hz , tvingar ledaren att oscillera vid eller nära en naturlig resonansfrekvens för ett av dess högre vibrationslägen. Den resulterande böjpåkänningen vid ledarupphängningsklämman, där rörelsen är helt begränsad, överskrider aluminiumets utmattningshållbarhetsgräns på ca. 57 MPa (8,3 ksi) inom tiotals miljoner cykler, som ackumuleras på några dagar under stadiga vindförhållanden.

Mitigation använder Stockbridge-dämpare, spiralvibrationsdämpare (formellt kallade hundbensdämpare eller spiralformade dämpare) eller distansdämpare på buntade ledare. En korrekt avstämd Stockbridge-dämpare har två resonansfrekvenser som fäster den dominerande ledarfrekvensen och absorberar vibrationsenergi genom den interna friktionen i dess budbärarkabelsträngar. Spjällplaceringsavståndet från klämman är inte godtyckligt; den måste placeras vid en punkt där ledarens vibrationsantinodamplitud är tillräcklig för att excitera spjället. För en typisk 132 kV-ledning med ACSR Lynx-ledare placeras det första spjället 0,8 till 1,2 meter från upphängningsklämmans mynning , med ett andra spjäll på 1,8 meter på spännvidder som överstiger 400 meter.

Coronaurladdning och hantering av elektromagnetiska fält

Vid överföringsspänningar på 230 kV och däröver närmar sig den elektriska fältgradienten vid ledarytan luftens dielektriska genombrottsstyrka, ca. 30 kV/cm vid havsnivå . När ytgradienten överstiger ungefär 17 kV/cm under torra förhållanden initieras koronaurladdning, som producerar hörbart brus, radiostörningar (RI) i 0,5 till 1,6 MHz-bandet och effektbortfall. Ytgradienten är omvänt proportionell mot ledarradien; en enda ledare per fas måste ha en diameter på minst 24 mm för 230 kV och 32 mm för 345 kV för att hålla gradienten under coronatröskeln.

Buntade ledare åtgärdar detta genom att dela upp fasströmmen mellan två, tre eller fyra underledare åtskilda av styva distanser med 30 till 45 cm intervall. Ett dubbelbunt med ledare med diameter 28 mm vid 400 kV uppnår en ekvivalent diameter på ungefär 180 mm i termer av elektrisk fältfördelning, vilket minskar ytgradienten med en faktor på ungefär tre jämfört med en enda ledare med ekvivalent total tvärsnittsarea. Distansavståndet är valt för att optimera balansen mellan elektrisk fältlikformighet och mekanisk stabilitet mot subspan-oscillation, ett fenomen där lovartledaren skärmar lä, vilket skapar en aerodynamisk instabilitet som driver elliptiska vispningsrörelser.

Val av isolator och krypavståndskoordination

Den överliggande ledaren är mekaniskt uppburen och elektriskt isolerad av upphängnings- eller spänningsisolatorsträngar. Isolatorns krypavstånd, väglängden längs isolatorytan från den spänningssatta ändbeslaget till den jordade änden, måste vara tillräckligt för att förhindra överslag under förorenade våta förhållanden. Det specifika krypavståndet definieras i mm krypning per kV system fas-till-fas spänning. För ljusföroreningsområden, en specifik krypning av 16 mm/kV är tillräckligt; för tung industri- eller kustsaltspray, 31 mm/kV eller mer specificeras, uppnås genom att använda längre strängar eller isolatorer av dimtyp med djupare kjolar.

Kompositpolymerisolatorer med silikongummiskjul har till stor del förskjutit porslins- och glaskåpa-och-stift-strängar för nybyggnation vid 138 kV och lägre, och vinner acceptans på EHV-nivåer. Den hydrofoba ytan på silikongummi får vatten att pärla i stället för att bilda en kontinuerlig ledande film, vilket undertrycker läckström genom en faktor på 10 till 100 jämfört med en hydrofil porslinsyta under identiska föroreningsförhållanden. Det primära felläget hos kompositisolatorer är spröd brott på glasfiberkärnstången från syraangrepp eller vatteninträngning vid en defekt ändförsegling, en mekanism som kräver kontinuerlig övervakning av mekanisk belastning och visuell inspektion av husets integritet.

Skarvning, återvändsgränd och hårdvarukompatibilitet

Hela luftledningen är bara lika pålitlig som dess skarvar och avslutningar. Mittspannskarvar, som krävs för ledarlängder som överstiger standardrullkapaciteten, måste uppnå en draghållfasthet på minst 95 % av ledarens nominella brotthållfasthet och ett elektriskt motstånd som inte överstiger 75 % av den ekvivalenta längden av ofogad ledare. Fullspänningsförband av kompressionstyp, applicerade med en sexkantsform och en hydraulisk press som kan 700 bar (10 000 psi), är industristandarden. Ledkroppen är en aluminiumhylsa som glider över aluminiumsträngarna och en separat stålhylsa som greppar stålkärnan. De två ärmarna är stupade oberoende av varandra; stålhylsan först, överför den fulla nominella spänningen över kärnan, följt av aluminiumhylsan, som leder strömmen runt stålfogen.

Bimetallisk galvanisk korrosion uppstår varhelst ledartrådar av aluminium kommer i kontakt med kopparlegeringshårdvara i närvaro av en elektrolyt. Aluminiumet, som är anodiskt mot koppar, korroderar uppoffrande. Alla kompressionskontakter och klämkroppar för aluminiumledare måste vara tillverkade av aluminiumlegering eller vara helt förtennade för att förhindra direkt koppar-till-aluminiumkontakt. Vid återvändsgränder i transformatorstationer där luftledning av aluminium övergår till kopparbussverk, isolerar en bimetallisk friktionssvetsad övergångsklack de två metallerna samtidigt som den ger en strömbana med låg resistans klassad för hela ledningens kortslutningsström.