Napowietrzne przewody linowe ACSR/AAAC/AAC wg IEC 61089 — konstrukcja, zwis i ulot

Przewodnik o siłach elektrodynamicznych podczas zwarcia szyn zbiorczych (IEC 60865-1) oraz przewodnik o transpozycji ekranu kabla dla kabli wysokonapięciowych omawiają mechaniczne i elektryczne aspekty podziemnych i szynowych systemów przewodzących. Ten artykuł dotyczy gołego, nieizolowanego przewodu, który wisi właśnie nad ziemią: przewodu z drutu okrągłego o splocie koncentrycznym, znormalizowanego w IEC 61089 ("Round wire concentric lay overhead electrical stranded conductors").

Trzy główne typy wg IEC 61089

IEC 61089 opisuje właściwości elektryczne i mechaniczne kilku wariantów konstrukcyjnych, z których trzy są najczęściej stosowane w praktyce:

• AAC (All Aluminium Conductor): wyłącznie ciągnione na zimno druty aluminiowe, splecione koncentrycznie wokół drutu centralnego, bez rdzenia stalowego ani dodatków stopowych. Najwyższa przewodność na jednostkę przekroju, ale najniższa wytrzymałość na rozciąganie z trzech typów — nadaje się głównie do krótkich przęseł o ograniczonym obciążeniu mechanicznym.
• ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced): zewnętrzna powłoka z ciągnionych na zimno drutów aluminiowych, spleciona koncentrycznie wokół rdzenia z ocynkowanej (lub platerowanej aluminium) stali. Rdzeń stalowy przenosi większość mechanicznego naprężenia rozciągającego, co pozwala na dłuższe przęsła i większe obciążenia zwisu (wiatr, oblodzenie) niż w przypadku AAC przy tym samym przekroju aluminium.
• AAAC (All Aluminium Alloy Conductor): wyłącznie druty ze stopu aluminium-magnez-krzem, również splecione koncentrycznie wokół drutu centralnego, bez rdzenia stalowego. Ten stop łączy wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż czyste aluminium z lepszym stosunkiem masy do wytrzymałości niż ACSR i — w przeciwieństwie do ACSR — nie niesie ryzyka korozji galwanicznej między aluminium a stalą.

Uwaga: norma dopuszcza również łączenie drutów stalowych powlekanych cynkiem lub aluminium oraz różnych klas stopów aluminium (A1, A2, A3); dokładne kody materiałowe, masa jednostkowa i dopuszczalna wytrzymałość na rozciąganie dla każdego przekroju są podane w tabelach samej normy i muszą być zweryfikowane wg rzeczywistej specyfikacji projektu.

Zwis i linia łańcuchowa

Napowietrzny przewód linowy nie wisi po linii prostej między dwoma słupami, lecz w przybliżeniu przyjmuje kształt linii łańcuchowej (katenoidy), zdeterminowany przez własny ciężar przewodu, naciąg zastosowany podczas montażu oraz długość przęsła. Zwis zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury otoczenia (rozszerzalność cieplna metalu) oraz przy dodatkowym obciążeniu wiatrem lub oblodzeniem, a zmniejsza się przy wyższym naciągu montażowym. Projektanci stosują przęsło miarodajne (reprezentatywne, ważone średnie przęsło dla serii kolejnych słupów), aby ująć zależność zwisu od temperatury dla całego odcinka linii w jednym obliczeniu, zamiast modelować każde przęsło osobno.

Uwaga: dokładne obliczenie naciągu i zwisu (łącznie z granicami temperatury i obciążenia oblodzeniem obowiązującymi w Niderlandach) jest zależne od projektu i musi zostać przeliczone z rzeczywistymi odległościami między słupami, danymi przewodu z normy oraz obowiązującym lokalnym obciążeniem klimatycznym — ten artykuł przedstawia jedynie podstawową zasadę.

Ulot: efekt natężenia pola na powierzchni przewodu

Przy dostatecznie wysokim napięciu wokół napowietrznego przewodu powstaje lokalna, częściowa jonizacja otaczającego powietrza, gdy tylko natężenie pola elektrycznego na powierzchni przewodu przekroczy wartość krytyczną — ulot. Ulot jest słyszalny (syczący lub trzeszczący dźwięk, zwłaszcza w wilgotną pogodę), powoduje zakłócenia radiowe i telewizyjne w określonym paśmie częstotliwości oraz towarzyszą mu (zazwyczaj ograniczone) straty energii. Ponieważ natężenie pola na powierzchni maleje wraz z większą średnicą przewodu (przy tym samym napięciu i prądzie ładunek rozkłada się na większej powierzchni), na liniach wysokiego napięcia czasem celowo stosuje się przewód o większej średnicy niż wymagana wyłącznie do obciążalności prądowej, albo stosuje się przewody wiązkowe (dwa lub więcej równoległych podprzewodów na fazę), aby zmniejszyć efektywną krzywiznę powierzchni — a tym samym ulot.

Dlaczego to ma znaczenie

Przy ocenie napowietrznego połączenia liniowego (na przykład przy przyłączu sieciowym małej turbiny wiatrowej, zob. przewodnik o przyłączu sieciowym małych turbin wiatrowych) ważne jest, aby uświadomić sobie, że wybór między AAC, ACSR i AAAC to nie tylko kwestia przewodności: mechaniczna długość przęsła, oczekiwane obciążenie oblodzeniem i wiatrem, wrażliwość na ulot przy wyższych poziomach napięcia oraz — w przypadku ACSR — ryzyko korozji galwanicznej między aluminium a stalą (zob. też przewodnik o korozji galwanicznej elektrod uziemiających w kwestii podstawowej zasady korozji bimetalicznej) — wszystko to wpływa na ostateczny wybór.

Częste błędy

1. Dobieranie przekroju aluminium wyłącznie na podstawie obciążalności prądowej, bez uwzględnienia mechanicznej długości przęsła i oczekiwanego obciążenia wiatrem/oblodzeniem — przy długim przęśle może to prowadzić do niedopuszczalnego zwisu lub przeciążenia przewodu.
2. Stosowanie ACSR bez uwagi na korozję galwaniczną między aluminiową powłoką zewnętrzną a stalowym rdzeniem w miejscach, gdzie może wniknąć wilgoć (uszkodzone końce drutów, połączenia zaciskowe) — może to osłabić rdzeń stalowy w ciągu lat, niewidocznie z zewnątrz.
3. Ignorowanie efektów ulotu przy wyborze przewodu o mniejszej średnicy dla linii wysokiego napięcia — może to prowadzić do nieoczekiwanych skarg na zakłócenia radiowo-telewizyjne oraz wyższych niż oczekiwano strat energii, nawet jeśli przewód jest w pełni wystarczający pod względem obciążalności prądowej.
4. Przyjmowanie jednej stałej wartości zwisu zamiast wykonania zależnego od temperatury obliczenia zwisu metodą przęsła miarodajnego — zwis przy zimowym obciążeniu oblodzeniem może istotnie różnić się od zwisu przy maksymalnej letniej temperaturze roboczej.

Powiązane

• Siły elektrodynamiczne podczas zwarcia szyn zbiorczych (IEC 60865-1)
• Transpozycja ekranu kabla dla kabli wysokonapięciowych (cross-bonding)
• Równoważność kabla aluminiowego i miedzianego oraz obciążalność prądowa
• Przyłącze sieciowe małych turbin wiatrowych