Воздушные линейные провода ACSR/AAAC/AAC по IEC 61089 — конструкция, провис и корона

Руководство об электродинамических силах при коротком замыкании шинопроводов (IEC 60865-1) и руководство о транспозиции экрана кабеля для высоковольтных кабелей рассматривают механические и электрические аспекты подземных и рельсовых систем проводников. Эта статья посвящена голому, неизолированному проводнику, который висит именно над землёй: проводу круглой проволоки концентрической скрутки, нормированному в IEC 61089 ("Round wire concentric lay overhead electrical stranded conductors").

Три основных типа по IEC 61089

IEC 61089 описывает электрические и механические свойства нескольких вариантов конструкции, из которых три наиболее распространены на практике:

• AAC (All Aluminium Conductor): исключительно твёрдотянутые алюминиевые проволоки, концентрически скрученные вокруг центральной проволоки, без стального сердечника или легирующих добавок. Наивысшая проводимость на единицу сечения, но самая низкая прочность на разрыв из трёх типов — подходит в основном для коротких пролётов с ограниченной механической нагрузкой.
• ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced): наружная оболочка из твёрдотянутых алюминиевых проволок, концентрически скрученных вокруг сердечника из оцинкованной (или плакированной алюминием) стали. Стальной сердечник несёт основную часть механического растягивающего усилия, что позволяет иметь более длинные пролёты и более высокую нагрузку от провиса (ветер, гололёд), чем у AAC при том же сечении алюминия.
• AAAC (All Aluminium Alloy Conductor): исключительно проволоки из сплава алюминий-магний-кремний, также концентрически скрученные вокруг центральной проволоки, без стального сердечника. Этот сплав сочетает более высокую прочность на разрыв, чем у чистого алюминия, с лучшим соотношением вес/прочность, чем у ACSR, и — в отличие от ACSR — не несёт риска гальванической коррозии между алюминием и сталью.

Обратите внимание: норма также допускает комбинирование стальных проволок с цинковым или алюминиевым покрытием и различных классов алюминиевых сплавов (A1, A2, A3); точные коды материалов, погонный вес и допустимая прочность на разрыв для каждого сечения указаны в таблицах самой нормы и должны проверяться по фактической спецификации проекта.

Провис и цепная линия

Воздушный линейный провод висит не по прямой между двумя опорами, а приблизительно следует форме цепной линии (катенарии), определяемой собственным весом провода, натяжением, приложенным при монтаже, и длиной пролёта. Провис увеличивается при более высокой температуре окружающей среды (тепловое расширение металла) и при дополнительной нагрузке от ветра или гололёда, и уменьшается при более высоком монтажном натяжении. Проектировщики используют приведённый пролёт (репрезентативный, взвешенный средний пролёт для серии последовательных опор), чтобы охватить зависимость провиса от температуры для всего участка линии одним расчётом, вместо моделирования каждого отдельного пролёта.

Обратите внимание: точный расчёт натяжения и провиса (включая пределы температуры и гололёдной нагрузки, действующие в Нидерландах) зависит от проекта и должен выполняться с фактическими расстояниями между опорами, данными провода из нормы и применимой местной климатической нагрузкой — эта статья представляет только основной принцип.

Корона: эффект напряжённости поля на поверхности провода

При достаточно высоком напряжении вокруг воздушного провода возникает локальная, частичная ионизация окружающего воздуха, как только напряжённость электрического поля на поверхности провода превышает критическое значение — корона. Корона слышна (шипящий или потрескивающий звук, особенно во влажную погоду), вызывает радио- и телевизионные помехи в определённой полосе частот и сопровождается (как правило, ограниченными) потерями энергии. Поскольку напряжённость поля на поверхности уменьшается при большем диаметре провода (при равном напряжении и токе заряд распределяется по большей поверхности), на линиях высокого напряжения иногда сознательно выбирают провод большего диаметра, чем требуется только для токовой нагрузки, либо используют расщеплённые провода (два или более параллельных подпроводника на фазу), чтобы уменьшить эффективную кривизну поверхности — и тем самым корону.

Почему это важно

При оценке воздушного линейного соединения (например, при подключении малой ветротурбины к сети, см. руководство о подключении к сети малых ветротурбин) важно понимать, что выбор между AAC, ACSR и AAAC — не только вопрос проводимости: механическая длина пролёта, ожидаемая гололёдная и ветровая нагрузка, чувствительность к короне при более высоких уровнях напряжения и — для ACSR — риск гальванической коррозии между алюминием и сталью (см. также руководство о гальванической коррозии заземляющих электродов для основного принципа биметаллической коррозии) — всё это влияет на итоговый выбор.

Часто встречающиеся ошибки

1. Выбор сечения алюминия только на основе токовой нагрузки, без учёта механической длины пролёта и ожидаемой ветровой/гололёдной нагрузки — при длинном пролёте это может привести к недопустимому провису или перегрузке провода.
2. Применение ACSR без внимания к гальванической коррозии между алюминиевой оболочкой и стальным сердечником в местах, куда может проникнуть влага (повреждённые концы проволок, зажимные соединения) — это может ослабить стальной сердечник за годы, не будучи видимым снаружи.
3. Игнорирование эффекта короны при выборе провода меньшего диаметра для линии высокого напряжения — это может привести к неожиданным жалобам на радио-/телепомехи и более высоким, чем ожидалось, потерям энергии, даже если провод с избытком достаточен по токовой нагрузке.
4. Принятие одного фиксированного значения провиса вместо выполнения температурно-зависимого расчёта провиса методом приведённого пролёта — провис при зимней гололёдной нагрузке может существенно отличаться от провиса при максимальной летней рабочей температуре.

Связанные материалы

• Электродинамические силы при коротком замыкании шинопроводов (IEC 60865-1)
• Транспозиция экрана кабеля для высоковольтных кабелей (cross-bonding)
• Эквивалентность алюминиевого и медного кабеля и токовая нагрузка
• Подключение к сети малых ветротурбин