Ajovirtakaapeli: tyypit, valinta ja asennus

Oikean valitseminen yläpuolinen sähkökaapeli siirto- tai jakelulinja edellyttää kolmen toisistaan riippuvan muuttujan tasapainottamista: jatkuva virrankantokyky, mekaaninen vetolujuus ja pitkäaikainen painuma maksimikäyttölämpötilassa . Useimmissa keski- ja suurjännitesovelluksissa teräsvahvistettu alumiinijohdin (ACSR) on edelleen oletusvalinta, koska galvanoitu teräsydin kantaa noin 55–65 % kokonaisjännityksestä, kun taas alumiinisäikeet kuljettavat virtaa, mikä on toimintoero, jota yksikään homogeeninen johdin ei pysty vastaamaan vastaaviin kustannuksiin.

Johdintyypit ja materiaalikoostumus

Sähkökaapelit luokitellaan materiaalin ja johtimen säikeytyskokoonpanon mukaan. Markkinoita hallitsevat kolme ensisijaista paljasjohdinperhettä, joista jokainen sopii erilaisiin jännepituuksiin ja ympäristöolosuhteisiin.

ACSR tai alumiinijohdeteräsvahvistettu, koostuu samankeskisestä säikeisestä teräsytimestä, jota ympäröi yksi tai useampi kerros kovavedettyjä 1350-H19-alumiinisäikeitä. Teräsydin, jota on saatavana eri lujuusluokissa, muodostaa vetovarren, kun taas alumiinikerrokset kuljettavat virtaa johtavuudella 61,2 % IACS (Kansainvälinen hehkutetun kuparin standardi). Tyypillinen ACSR "Drake" -johdin, jonka säikeytys on 26/7 ja jonka kokonaishalkaisija on 28,14 mm, saavuttaa nimellisvetolujuuden 140 kN ja jatkuva teho noin 907 ampeeria 75 °C:ssa maltillisissa tuuliolosuhteissa.

AAAC, kokonaan alumiiniseosjohdin, käyttää homogeenista 6201-T81-alumiiniseoslankojen ketjutusta. Tämä seos sisältää magnesiumia ja piitä, jotta saavutetaan noin kaksinkertainen vetolujuus sähköjohtimeen 1350-H19 alumiiniin verrattuna, mikä eliminoi teräsytimen tarpeen. AAAC-johtimet on määritelty kohteisiin, joissa teräsytimen korroosio on ongelma, erityisesti rannikko- tai teollisuusympäristöissä, joissa ilmassa on klorideja tai rikkiyhdisteitä. Magneettisen teräsytimen puuttuminen eliminoi myös hystereesin ja pyörrevirtahäviöt, mikä vähentää vaihtovirtavastusta noin 3–5 % verrattuna vastaavan halkaisijan omaavaan ACSR:ään samalla kuormitusvirralla.

AAC, kokonaan alumiinista valmistettu johdin, joka on valmistettu kokonaan 1350-H19-säikeistä, tarjoaa korkeimman johtavuuden painoyksikköä kohden, mutta pienimmän vetolujuuden. Sen käyttö rajoittuu lyhyisiin jänneväliin kaupunkien jakeluverkoissa ja sähköasemilla sijaitsevissa kiskoissa, joissa jännevälin pituus harvoin ylittää 50 metriä ja johtimen ei vaadita kestämään suuria jää- tai tuulikuormia.

Vakiojohdintyyppien vertailu

Lämpökyvyn ja lämpöluokituksen perusteet

Ilmakaapelin kapasiteetti ei ole kiinteä luku, vaan resistiivisten häviöiden (I²R-lämmitys), johtimen pinnan absorboiman auringonsäteilyn, tuulen konvektiivisen jäähdytyksen ja taivaalle suuntautuvan säteilylämpöhäviön välisen lämpötasapainon funktio. IEEE 738 -standardi määrittelee vakaan tilan lämpöyhtälön, joka hallitsee tätä tasapainoa. Pahimmillaan, jos oletetaan täyttä aurinkoa, matalaa tuulen nopeutta 0,6 m/s ja ympäristön lämpötilaa 40 °C, tietyn johtimen ampacity voi olla 25-35 % pienempi kuin maltillisille kevätolosuhteille julkaistu arvo.

Johtimen käyttölämpötila on riippumaton muuttuja, joka ohjaa painumista. Vakio-ACSR-johtimet on mitoitettu jatkuvaan käyttöön 75 °C, 90 °C tai 100 °C , korkeammat lämpötilat sallitaan hätätilanteissa tai lyhytaikaisissa huippukuormitusolosuhteissa. Yli 93 °C:n lämpötilassa alumiinisäikeet alkavat hehkua, mikä vähentää pysyvästi niiden vetolujuutta. Korkean lämpötilan matalan putoamisen (HTLS) johtimet, kuten ACSS, G(Z)TACSR ja ACCR, käyttävät täysin hehkutettuja alumiini- tai komposiittiytimiä toimiakseen jatkuvasti 150 °C - 210 °C , mikä karkeasti kaksinkertaistaa tavanomaisen ACSR-linjan kapasiteetin samalla kulkuväylällä ilman korkeampia torneja.

Jännityslaskenta ja joustoharjoitus

Johtimen jännityksen ja painumisen välistä suhdetta ohjaa ajojohtoyhtälö, joka yksinkertaistuu alle 300 metrin jännevälillä paraboliseen likiarvoon hyväksyttävällä virheellä. Suunnitteluprosessi alkaa hallitsevalla jännevälillä, painotetulla keskimääräisellä jännepituudella, joka edustaa koko umpikujarakenteiden välisen jännitysosan mekaanista käyttäytymistä. Alkuperäinen kuormittamaton jännitys alimmassa nauhan lämpötilassa, tyypillisesti -20°C tai 0°F , on asetettava niin, että johdin ei ylitä 60 % sen nimellismurtolujuudesta maantieteellisen kuormitusalueen kansallisen sähköturvallisuussäännöstön (NESC) määrittämissä ankarimmassa jää- ja tuulenkuormitusyhdistelmässä.

Joustaminen ei ole vain johtimen vetämistä tavoitejännitykseen ja sen kiinnittämistä. Johdin on kiristettävä painuma-arvoon, joka mitataan tähtäämällä jännevälin poikki transit- tai digitaalisella sagometrillä, johdin tunnetussa tasaisessa lämpötilassa. ACSR Draken 300 metrin jännevälillä 15 °C:ssa ilman tuulta tai jäätä tavoite painuma on noin 6,5 metriä , joka vastaa noin 17 kN:n vaakasuuntaista jännitystä. Kiinnittymisen jälkeen johdin rentoutuu säikeen laskeutumisen ja metallurgisen virumisen kautta ja menettää noin 10–15 % alkuperäisestä jännityksestä ensimmäisen 1 000 käyttötunnin aikana . Langan painuman on ennakoitava tämä viruminen kohdistamalla 10–12 prosentin ylijännitys, joka sitten rentoutuu suunnittelun lopulliseen painumiseen.

Eolinen värähtely ja johtimen vaimennus

Kun tasainen laminaarituuli kulkee yläkaapelin yli nopeudella 1-7 m/s, se päästää vuorottelevia Kármán-pyörteitä, jotka indusoivat syklisen nostovoiman kohtisuorassa tuulen suuntaan. Tämä eolilainen värähtely, jonka taajuudet ovat tyypillisesti alueella 3-150 Hz , pakottaa johtimen värähtelemään jonkin korkeamman värähtelymoodinsa luonnollisella resonanssitaajuudella tai sen lähellä. Tuloksena oleva taivutusjännitys johtimen ripustuspuristimessa, jossa liike on täysin hillitty, ylittää alumiinin noin väsymiskestävyysrajan. 57 MPa (8,3 ksi) kymmenissä miljoonissa jaksoissa, jotka kerääntyvät muutamassa päivässä tasaisten tuuliolosuhteiden aikana.

Lieventämisessä käytetään Stockbridge-vaimentimia, spiraalivärähtelyn vaimentimia (kutsutaan muodollisesti koiranluuvaimentimilla tai spiraalimaisilla vaimentimilla) tai välilevyn vaimentimia niputettuihin johtimiin. Oikein viritetyssä Stockbridge-pellissä on kaksi resonanssitaajuutta, jotka sulkevat hallitsevan johtimen taajuuden ja absorboivat värähtelyenergiaa lähettimien kaapelisäikeiden sisäisen kitkan kautta. Pellin sijoitusetäisyys puristimesta ei ole mielivaltainen; se on sijoitettava kohtaan, jossa johtimen värähtelyn antisolmujen amplitudi on riittävä herättämään vaimennin. Tyypilliselle 132 kV linjalle, jossa on ACSR Lynx -johdin, sijoitetaan ensimmäinen pelti 0,8-1,2 metrin päässä ripustuspuristimen suusta , jossa toinen pelti 1,8 metrin päässä yli 400 metrin jännevälillä.

Koronapurkaus ja sähkömagneettisen kentän hallinta

Yli 230 kV:n siirtojännitteillä sähkökentän gradientti johtimen pinnalla lähestyy ilman dielektristä läpilyöntivoimakkuutta, noin 30 kV/cm merenpinnan tasolla . Kun pintagradientti ylittää noin 17 kV/cm kuivissa olosuhteissa, alkaa koronapurkaus, joka tuottaa kuuluvaa kohinaa, radiohäiriöitä (RI) 0,5-1,6 MHz kaistalla ja tehohäviötä. Pintagradientti on kääntäen verrannollinen johtimen säteeseen; yhden johtimen halkaisijan on oltava vähintään vaihetta kohti 24 mm 230 kV ja 32 mm 345 kV pitääksesi gradientin koronakynnyksen alapuolella.

Niputetut johtimet ratkaisevat tämän jakamalla vaihevirran kahdelle, kolmelle tai neljälle osajohtimelle, jotka on erotettu jäykillä välikkeillä 30–45 cm:n välein. Halkaisijaltaan 28 mm:n johtimien kaksoisnippu 400 kV:n jännitteellä saavuttaa vastaavan halkaisijan noin 180 mm sähkökentän jakautumisen kannalta pintagradientin pienentäminen noin kolminkertaiseksi verrattuna yhteen johtimeen, jolla on vastaava kokonaispoikkipinta-ala. Välikappaleen etäisyys on valittu optimoimaan tasapaino sähkökentän tasaisuuden ja mekaanisen vakauden välillä alijännevärähtelyä vastaan, ilmiö, jossa tuulen puoleinen johdin suojaa tuulenpuoleista johdetta luoden aerodynaamisen epävakauden, joka ohjaa elliptisiä ryöstöliikkeitä.

Eristimen valinta ja ryömintäetäisyyden koordinointi

Yläjohdin on mekaanisesti tuettu ja eristetty sähköisesti ripustus- tai jännityseristinjonoilla. Eristeen ryömintäetäisyyden, reitin pituuden eristimen pintaa pitkin jännitteisestä päätyliittimestä maadoitettuun päähän, on oltava riittävä estämään ylilyönti saastuneissa märissä olosuhteissa. Erityinen ryömintäetäisyys määritellään ryömintä millimetreinä per kV järjestelmän vaihe-vaihejännitettä. Valosaastealueilla erityinen ryömintä 16 mm/kV on riittävä; raskaaseen teollisuuteen tai rannikkosuolasuihkeeseen 31 mm/kV tai enemmän on määritelty käyttämällä pidempiä lankoja tai sumutyyppisiä eristeitä, joissa on syvemmät helmat.

Komposiittipolymeerieristeet, joissa on silikonikumieristeet, ovat suurelta osin syrjäyttäneet posliini- ja lasikorkki- ja tappinauhat uuteen rakentamiseen 138 kV:n ja sitä alhaisemmilla jännitteillä, ja ne ovat saamassa hyväksyntää EHV-tasoilla. Silikonikumin hydrofobinen pinta saa veden kiertymään eikä muodostamaan jatkuvaa johtavaa kalvoa, mikä estää vuotovirran kerroin 10-100 verrattuna hydrofiiliseen posliinipintaan samoissa kontaminaatioolosuhteissa. Komposiittieristeiden ensisijainen vikatila on lasikuituytimen sauvan hauras murtuminen hapon vaikutuksesta tai veden sisäänpääsystä viallisen päätytiivisteen kohdalla. Tämä mekanismi vaatii jatkuvaa mekaanisen kuormituksen seurantaa ja kotelon eheyden silmämääräistä tarkastusta.

Liitos, umpikuja ja laitteistoyhteensopivuus

Koko ilmajohto on vain niin luotettava kuin sen liitokset ja päätteet. Keskijänneliitosten, joita vaaditaan normaalin kelakapasiteetin ylittäville johtimien pituuksille, on saavutettava vähintään vetolujuus 95 % johtimen nimellismurtolujuudesta ja sähkövastus ei ylitä 75 % liittämättömän johtimen vastaavasta pituudesta. Puristustyyppiset täysjänniteliitokset, jotka on kiinnitetty kuusikulmaisella suuttimella ja hydraulipuristimella, joka pystyy painamaan 700 baaria (10 000 psi), ovat alan standardi. Liitosrunko on alumiiniholkki, joka liukuu alumiinisäikeiden yli, ja erillinen teräsholkki, joka tarttuu teräsytimeen. Molemmat hihat on swaged itsenäisesti; teräsholkki ensin siirtäen täyden nimellisjännityksen sydämen poikki, sitten alumiiniholkki, joka kuljettaa virran teräsliitoksen ympärillä.

Bimetallista galvaanista korroosiota esiintyy aina, kun alumiinijohdinsäikeet koskettavat kupariseoslaitteistoa elektrolyytin läsnä ollessa. Alumiini, joka on anodista kuparille, syövyttää uhrautuvasti. Kaikkien alumiinijohtimien puristusliittimien ja puristinrunkojen on oltava alumiiniseoksesta valmistettuja tai kokonaan tinattuja, jotta kupari ja alumiini ei kosketa suoraan. Sähköaseman umpikujarakenteissa, joissa alumiininen ilmajohto siirtyy kupariväylätöihin, bimetalliset kitkahitsatut siirtymäkorvakkeet eristävät kaksi metallia ja tarjoavat samalla matalaresistanssin virtareitin, joka on mitoitettu linjan koko oikosulkuvirralle.