Elektrische bovenleidingskabel: typen, selectie en installatie

Het juiste selecteren elektrische bovenleiding voor een transmissie- of distributielijn vereist het balanceren van drie onderling afhankelijke variabelen: continu stroomvoerend vermogen, mechanische treksterkte en langdurig doorzakgedrag onder maximale bedrijfstemperatuur . Voor de meeste midden- en hoogspanningstoepassingen blijft een met staal versterkte aluminium geleider (ACSR) de standaardkeuze, omdat de gegalvaniseerde stalen kern ongeveer 55% tot 65% van de totale spanning draagt, terwijl de aluminium strengen de stroom dragen, een scheiding van functies die geen enkele homogene geleider tegen gelijke kosten kan evenaren.

Geleidertypes en materiaalsamenstelling

Elektrische bovengrondse kabels worden geclassificeerd op basis van de materialen en de kabelconfiguratie van de geleider. De drie belangrijkste families met blanke geleiders domineren de markt, elk geschikt voor verschillende overspanningslengtes en omgevingsomstandigheden.

ACSR, of Aluminium Conductor Steel-Reinforced, bestaat uit een concentrische stalen kern omgeven door een of meer lagen hardgetrokken 1350-H19 aluminium strengen. De stalen kern, verkrijgbaar in verschillende sterktegraden, vormt de trekruggengraat, terwijl de aluminiumlagen de stroom geleiden met een geleidbaarheid van 61,2% GBCS (Internationale norm voor gegloeid koper). Een typische ACSR "Drake"-geleider, met een 26/7-streng en een totale diameter van 28,14 mm, bereikt een nominale treksterkte van 140 kN en een continue stroomsterkte van ongeveer 907 ampère bij 75°C onder matige windomstandigheden.

AAAC, de volledig uit aluminiumlegering bestaande geleider, maakt gebruik van een homogene bundeling van 6201-T81-draden van aluminiumlegering. Deze legering bevat magnesium en silicium om een ​​treksterkte te bereiken die ongeveer het dubbele is van die van 1350-H19 elektrisch geleidend aluminium, waardoor er geen stalen kern nodig is. AAAC-geleiders worden gespecificeerd waar corrosie van de stalen kern een probleem is, vooral in kust- of industriële omgevingen met chloriden of zwavelverbindingen in de lucht. De afwezigheid van een magnetische stalen kern elimineert ook hysteresis- en wervelstroomverliezen, waardoor de AC-weerstand ongeveer wordt verminderd 3% tot 5% vergeleken met een ACSR met gelijkwaardige diameter onder dezelfde belastingsstroom.

AAC, de volledig aluminium geleider die volledig is gemaakt van 1350-H19-strengen, biedt de hoogste geleidbaarheid per gewichtseenheid, maar de laagste treksterkte. Het gebruik ervan is beperkt tot korte overspanningen in stedelijke distributienetwerken en bus-bar-droppers in onderstations, waar de overspanning zelden groter is dan 50 meter en de geleider niet bestand is tegen hoge ijs- of windbelastingen.

Vergelijkende prestaties van standaard geleidertypen

Basisprincipes van capaciteit en thermische beoordeling

De capaciteit van een elektrische bovenleiding is geen vast getal, maar een functie van de warmtebalans tussen weerstandsverliezen (I²R-verwarming), zonnestraling geabsorbeerd door het geleideroppervlak, convectieve koeling door wind en stralingswarmteverlies naar de lucht. De IEEE 738-standaard definieert de thermische vergelijking in stabiele toestand die deze balans regelt. In het slechtste geval van volle zon, lage windsnelheid van 0,6 m/s en een omgevingstemperatuur van 40°C kan de capaciteit van een bepaalde geleider 25% tot 35% lager dan de gepubliceerde waarde voor gematigde lenteomstandigheden.

De bedrijfstemperatuur van de geleider is de onafhankelijke variabele die de doorzakking regelt. Standaard ACSR-geleiders zijn geschikt voor continu gebruik bij 75°C, 90°C of 100°C , waarbij hogere temperaturen zijn toegestaan voor noodgevallen of piekbelastingsomstandigheden op korte termijn. Boven de 93°C beginnen de aluminium strengen uit te gloeien, waardoor hun treksterkte permanent afneemt. Geleiders voor hoge temperaturen en lage doorbuiging (HTLS), zoals ACSS, G(Z)TACSR en ACCR, gebruiken volledig gegloeide aluminium- of composietkernen om continu te werken bij 150°C tot 210°C , waardoor de capaciteit van een conventionele ACSR-lijn binnen hetzelfde recht van overpad grofweg wordt verdubbeld zonder dat er hogere torens nodig zijn.

Berekening van de doorzakspanning en praktijk van bespannen

De relatie tussen geleiderspanning en doorbuiging wordt bepaald door de kettinglijnvergelijking, die voor overspanningen korter dan 300 meter vereenvoudigt tot een parabolische benadering met een aanvaardbare fout. Het ontwerpproces begint met het heersende overspanningsconcept, een gewogen gemiddelde overspanningslengte die het equivalente mechanische gedrag vertegenwoordigt van een volledig spanningstraject tussen doodlopende constructies. Typisch de initiële onbelaste spanning bij de laagste bespantemperatuur -20°C of 0°F , moet zo worden ingesteld dat de geleider niet meer dan 60% van zijn nominale breeksterkte overschrijdt onder de zwaarste combinatie van ijs- en windbelasting gespecificeerd door de National Electrical Safety Code (NESC) voor het geografische belastingdistrict.

Bespannen is niet simpelweg de geleider tot een doelspanning trekken en vastklemmen. De geleider moet worden gespannen tot een doorbuigingswaarde, gemeten door over de overspanning te kijken met een doorvoer- of digitale sagometer, waarbij de geleider een bekende uniforme temperatuur heeft. Voor een overspanning van 300 meter van ACSR Drake bij 15°C zonder wind of ijs is de beoogde doorzakking ongeveer 6,5 meter , overeenkomend met een horizontale spanning van ongeveer 17 kN. Na het inklikken ontspant de geleider zich door het bezinken van de strengen en door metallurgische kruip, waarbij hij ongeveer verliest 10% tot 15% van de initiële spanning gedurende de eerste 1.000 bedrijfsuren . De doorbuiging van de snaren moet op deze kruip anticiperen door te streven naar een overspanning van 10% tot 12%, die vervolgens ontspant tot de uiteindelijke ontwerpdoorbuiging.

Eolische trillingen en geleiderdemping

Wanneer een gestage laminaire wind met snelheden tussen 1 en 7 m/s over een bovengrondse kabel waait, werpt deze afwisselende Kármán-wervelingen af die een cyclische liftkracht induceren die loodrecht op de windrichting staat. Deze eolische trilling, met frequenties die typisch liggen in het bereik van 3 tot 150 Hz , dwingt de geleider om te oscilleren op of nabij een natuurlijke resonantiefrequentie van een van zijn hogere trillingsmodi. De resulterende buigspanning bij de ophangklem van de geleider, waar de beweging volledig wordt beperkt, overschrijdt de vermoeidheidsgrens van het aluminium van ongeveer 57 MPa (8,3 ksi) binnen tientallen miljoenen cycli, die zich bij constante wind binnen enkele dagen ophopen.

Mitigatie maakt gebruik van Stockbridge-dempers, spiraaltrillingsdempers (formeel dog-bone-dempers of spiraalvormige demperelementen genoemd), of afstandsdempers op gebundelde geleiders. Een goed afgestelde Stockbridge-demper heeft twee resonantiefrequenties die de dominante geleiderfrequentie ondersteunen en trillingsenergie absorberen door de interne wrijving van de boodschapperkabelstrengen. De afstand tot de klem voor de plaatsing van de demper is niet willekeurig; het moet op een punt worden geplaatst waar de trillingsamplitude van de geleider voldoende is om de demper te bekrachtigen. Voor een typische 132 kV-lijn met ACSR Lynx-geleider wordt de eerste demper geplaatst 0,8 tot 1,2 meter vanaf de monding van de ophangklem , met een tweede demper op 1,8 meter bij overspanningen groter dan 400 meter.

Corona-ontlading en beheer van elektromagnetische velden

Bij transmissiespanningen van 230 kV en hoger benadert de elektrische veldgradiënt aan het geleideroppervlak de diëlektrische doorslagsterkte van lucht, ongeveer 30 kV/cm op zeeniveau . Wanneer de oppervlaktegradiënt onder droge omstandigheden ruwweg 17 kV/cm overschrijdt, begint de corona-ontlading, waardoor hoorbare ruis, radio-interferentie (RI) in de 0,5 tot 1,6 MHz-band en vermogensverlies ontstaat. De oppervlaktegradiënt is omgekeerd evenredig met de straal van de geleider; één enkele geleider per fase moet een diameter hebben van minimaal 24 mm voor 230 kV en 32 mm voor 345 kV om het stijgingspercentage onder de coronadrempel te houden.

Gebundelde geleiders pakken dit aan door de fasestroom te splitsen over twee, drie of vier subgeleiders, gescheiden door stijve afstandhouders met intervallen van 30 tot 45 cm. Een dubbele bundel van geleiders met een diameter van 28 mm bij 400 kV bereikt een equivalente diameter van ongeveer 180 mm in termen van elektrische veldverdeling, waardoor de oppervlaktegradiënt met ongeveer een factor drie wordt verminderd in vergelijking met een enkele geleider met een gelijkwaardig totaal dwarsdoorsnedeoppervlak. De afstand tussen de afstandhouders is gekozen om de balans tussen elektrische velduniformiteit en mechanische stabiliteit tegen sub-span-oscillatie te optimaliseren, een fenomeen waarbij de loefwaartse geleider de lijwaartse afschermt, waardoor een aerodynamische instabiliteit ontstaat die elliptische zweepbewegingen aandrijft.

Isolatorselectie en kruipafstandcoördinatie

De bovenleiding wordt mechanisch ondersteund en elektrisch geïsoleerd door ophang- of spanningsisolatorstrings. De kruipafstand van de isolator, de weglengte langs het isolatoroppervlak vanaf de bekrachtigde eindfitting tot het geaarde uiteinde, moet voldoende zijn om overslag onder verontreinigde natte omstandigheden te voorkomen. De specifieke kruipafstand wordt gedefinieerd in mm kruip per kV fase-naar-fase-systeemspanning. Voor gebieden met lichte vervuiling geldt een specifieke kruip van 16 mm/kV is voldoende; voor zware industriële of kustzoutnevel, 31 mm/kV of meer is gespecificeerd, bereikt door het gebruik van langere snaren of mist-type isolatoren met diepere rokken.

Composiet polymere isolatoren met siliconenrubberschuren hebben porseleinen en glazen dop-en-pin-strings grotendeels verdrongen voor nieuwbouw bij 138 kV en lager, en winnen acceptatie op EHV-niveaus. Het hydrofobe oppervlak van siliconenrubber zorgt ervoor dat water parelt in plaats van een continue geleidende film te vormen, waardoor lekstroom wordt onderdrukt een factor 10 tot 100 vergeleken met een hydrofiel porseleinoppervlak onder identieke verontreinigingsomstandigheden. De belangrijkste faalwijze van composietisolatoren is brosse breuk van de glasvezelkernstaaf door zuuraantasting of binnendringend water bij een defecte eindafdichting, een mechanisme dat continue monitoring van mechanische belasting en visuele inspectie van de integriteit van de behuizing vereist.

Verbinding, doodlopende weg en hardwarecompatibiliteit

De gehele bovenleiding is slechts zo betrouwbaar als de verbindingen en aansluitingen ervan. Middenoverspanningsverbindingen, vereist voor geleiderlengtes die de standaard haspelcapaciteiten overschrijden, moeten een treksterkte van minimaal bereiken 95% van de nominale breeksterkte van de geleider en een elektrische weerstand die niet groter is dan 75% van de equivalente lengte van de niet-verbonden geleider. Volspanningsverbindingen van het compressietype, toegepast met een zeshoekige matrijs en een hydraulische pers met een druk van 700 bar (10.000 psi), zijn de industriestandaard. Het gewrichtslichaam bestaat uit een aluminium huls die over de aluminium strengen schuift en een aparte stalen huls die de stalen kern vastgrijpt. De twee mouwen zijn onafhankelijk van elkaar gesmeed; eerst de stalen huls, die de volledige nominale spanning over de kern overbrengt, gevolgd door de aluminium huls, die de stroom rond de stalen verbinding transporteert.

Bimetaal galvanische corrosie treedt op overal waar aluminium geleiderstrengen in contact komen met hardware van koperlegeringen in de aanwezigheid van een elektrolyt. Het aluminium, dat anodisch is ten opzichte van koper, corrodeert opofferend. Alle compressieconnectoren en klemlichamen voor aluminium geleiders moeten gemaakt zijn van een aluminiumlegering of volledig vertind zijn om direct koper-aluminium contact te voorkomen. Bij doodlopende constructies van substations waar de aluminium bovenleiding overgaat in koperen buswerk, isoleert een bimetaal, door wrijving gelaste overgangslip de twee metalen, terwijl een stroompad met lage weerstand wordt geboden dat geschikt is voor de volledige kortsluitstroom van de lijn.