УДК 621.3

Новые поколения проводов воздушных линий

Бурый Егор Николаевич – студент кафедры Электроэнергетики и электротехники Амурского государственного университета

Аннотация: Рост потребления электрической энергии увеличивает актуальность повышения пропускной способности и надежности воздушных линий (ВЛ) электропередачи, разработки и применения новых проектных и строительных решений, использования современных материалов и технологий. Применение новых материалов и оптимизированных проектных решений актуально также вследствие необходимости масштабной реновации сетевой инфраструктуры, срок службы которой превышает 40–50 лет. Социальные и экономические условия выполнения реновации предполагают применение рациональных и эффективных решений на основании технико-экономического сопоставления. Анализ международного и отечественного передового опыта показывает, что при строительстве новых и реновации действующих воздушных линий электропередачи целесообразно применение проводов нового поколения, обладающих улучшенными механическими и электрическими характеристиками по сравнению с проводами ACSR традиционной конструкции. В настоящем докладе представлен опыт практического применения и разработки проводов нового поколения, электрические и механические характеристики которых обеспечивают возможность достижения таких положительных эффектов, как повышение надежности и пропускной способности ВЛ, гарантированное обеспечение безопасных габаритов проводов до земли и до пересекаемых объектов.

Ключевые слова: воздушные линии электропередачи, надежность, пропускная способность, провода, оптимизация проектирования.

Основные преимущества проводов нового поколения

Основными требованиями, предъявляемыми к проводам нового поколения, являются:

• максимально высокая электропроводность;
• максимально высокая механическая прочность;
• небольшая погонная масса;
• малые температурные удлинения;
• устойчивость к старению и ветровым воздействиям.

Температура традиционных проводов ACSR обычно не превышает 90 °С. Известно, что продолжительная (обычно более 2 часов) работа провода при такой температуре приводит к процессу рекристаллизации алюминия, в результате которой он утрачивает свои механические свойства и вся механическая нагрузка воспринимается только стальными сердечниками проводов этого типа. В проводах нового поколения, относящихся к категории высокотемпературных, в качестве материала токопроводящей части используются термостойкие алюминиевые сплавы (TAL, ZTAL и др.), что в зависимости от типа сплава допускает длительную эксплуатацию проводов при температуре 150 °С и более.

Токопроводящая часть проводов нового поколения может быть выполнена из нескольких слоев проволок круглой формы с применением технологии компактизации посредством пластического обжатия повивов, либо используются профилированные проволоки. Обе технологии обеспечивают высокий коэффициент заполнения токопроводящей части, благодаря чему компактированные провода в сравнении с проводами традиционной конструкции при идентичных диаметрах имеют большую площадь сечения токопроводящей части. При одинаковом же сечении токопроводящей части компактированные провода имеют существенно меньший диаметр, более гладкую поверхность и, как следствие, пониженное аэродинамическое сопротивление.

В качестве сердечников в проводах нового поколения применяются стальные оцинкованные или плакированные алюминием проволоки, проволоки из различных сплавов на основе стали, композитные материалы. Сердечник из композитных материалов может представлять собой монолитный стержень круглого сечения или скрученные в прядь элементарные стержни, выполненные из композитного многокомпонентного материала, состоящего из матрицы (полимерной, металлической, углеродной и др.) и армирующих элементов (углеродное волокно, базальтовое волокно, стекловолокно, нитевидные кристаллы, тонкодисперсные частицы и др.), обеспечивающих необходимую механическую прочность. Использование в проводах нового поколения композитного сердечника (провода ACCC, ACCR) способствует повышению механической прочности, значительному уменьшению массы и коэффициента температурного линейного удлинения, что позволяет при применении проводов подобной конструкции обеспечивать уменьшенные стрелы провеса по сравнению с проводами ACSR.

Успешный опыт применения в РФ проводов нового поколения типа ACCR при реконструкции существующих ВЛ

Впервые композитный провод ACCR нашел применение в РФ при реконструкции ВЛ 110 кВ Очаково – Одинцово 1 и 2, выполненной в 2008 г. сетевой компанией МОЭСК (г. Москва). Провода этого типа хорошо известны во всем мире, поскольку используются уже более 10 лет, с их помощью выполнено свыше 70 проектов нового строительства, а также реконструкции существующих линий выполнены в Северной и Южной Америке, в разных странах Европы, Азии и Африки. Провод ACCR включает наружные токопроводящие проволоки из сплава Al-Zr, сохраняющие свои механические свойства при температурах нагрева до 2100 °С, и композитный сердечник, выполненный из проволок, включающих алюминий высокой чистоты и продольные волокна оксида алюминия, которые придают материалу высокую прочность. К положительным свойствам композитного сердечника относятся малая масса и низкий коэффициент теплового расширения (и первое, и второе в 2 раза меньше, чем у стали). При реконструкции ВЛ 110 кВ Очаково – Одинцово протяженностью 13,1 км провод ACSR 240/32 заменен проводом ACCR 477-T16 Hawk сечением 238 мм². Пропускная способность линии увеличена на 98%. Реконструкция выполнена с использованием существующих опор. Благодаря малой погонной массе провода и низкому коэффициенту теплового расширения обеспечено существенное повышение надежности и безопасности реконструированной линии, пересекающей городские кварталы с высокой плотностью населения. При температуре выше 0 °С габарит до земли замененного провода ACSR 240/32 в ряде пролетов был существенно меньше предписываемых стандартами 6 м, что создавало факторы риска как для населения, так и для работы сети. После реконструкции безопасный габарит до земли сохраняется во всех эксплуатационных режимах ВЛ.

Всего в РФ успешно реализовано семь подобных проектов, базирующихся на использовании ACCR: помимо двух указанных выше проектов в г. Москве, проект в Читинской области, выполненный при реконструкции ВЛ 110 кВ Харанорская ГРЭС – подстанция Урга; в г. Иркутске при реконструкции ВЛ 110 кВ Иркутская ГЭС – Южная-Кировская; в г. Перми [3] при реконструкции ВЛ 110 кВ ТЭЦ 9 и ТЭЦ 6; при реконструкции сетевой инфраструктуры, обеспечивающей выдачу мощности нового блока Вологодской ТЭЦ; при реконструкции сетевого объекта в Кузбассе. Во всех перечисленных случаях пропускная способность линий возросла на величину от 50 до 98%. Благодаря значительному увеличению габаритов проводов до земли и наземных объектов в охранной зоне ВЛ существенно повышены надежность и эксплуатационная готовность реконструированных элементов сетевой инфраструктуры.

Провода нового поколения (HTLS) различных типов

Успешные примеры применения проводов HTLS привели к появлению российских разработок проводов нового поколения различных типов. В настоящее время разработана и применяется серия высокотемпературных сталеалюминиевых проводов типа АСТ и АСк2у. Провода марки АСТ состоят из стального сердечника и проволок из алюминиевого термостойкого Al-Zr сплава, скрученных концентрическими повивами поверх стального сердечника. В компактированных проводах марки АСк2у используются алюминиевые проволоки трапецеидальной формы, сердечник состоит из высокопрочных стальных проволок с цинкоалюминиевым покрытием. Применение высокопрочной стальной проволоки позволяет увеличить механическую прочность провода и за счет этого уменьшить стрелу провеса провода при реконструкции существующих ВЛ, уменьшить вероятность обрыва проводов в результате стихийных природных воздействий. Применение проводов АСк2у при сооружении новых ВЛ приводит к уменьшению числа промежуточных опор за счет увеличения расстояния между ними. Провода марки АСк2у применены на трех ВЛ 35–110 кВ, эксплуатируемых ОАО «Кировэнерго», а также на ВЛ 500 кВ Донская АЭС – Борино (Елецкая).

В РФ в настоящее время также разрабатываются высокотемпературные провода с малой стрелой провеса (HTLS) типа ACCC. Основной материал композитного сердечника – высокопрочное углеродное волокно и эпоксидное связующее горячего отверждения. Для защиты несущей углепластиковой части композитного сердечника от металлической электропроводящей части провода и возникновения явления гальванической коррозии используется внешняя неэлектропроводящая (изолирующая) оболочка – стеклопластик на основе однонаправленных стеклянных волокон. Токопроводящая часть провода состоит из профилированных проволок трапецеидального сечения и имеет коэффициент заполнения, близкий к 0,95. Материал – высокотемпературный алюминиевый сплав ZTAL.

Испытания разработанного в России HTLS провода

Для определения характеристик провода была выполнена серия испытаний. Во время испытаний использовалась специально разработанная линейная арматура: натяжные, соединительные и поддерживающие зажимы.

Провод АКТ 400/65 был подвергнут следующим испытаниям:

1. Определение параметров конструкции.
2. Определение прочности и деформации токопроводящих проволок провода до и после нагрева до температуры 150 °C с последующим охлаждением.
3. Испытание на растяжение по определению:

• модуля упругости композитного сердечника;
• модуля упругости токопроводящего сплава;
• модулей упругости провода;
• предела прочности композитного сердечника на разрыв.

4. Испытание на вытяжку по определению:

• деформации ползучести провода при воздействии постоянной нагрузки в течение 1000 часов, равной 45% от разрывной прочности провода;
• конечного модуля упругости (вытяжки).

5. Определение коэффициента температурного удлинения композитного сердечника.
6. Определение коэффициента температурного удлинения провода.
7. Определение электрического сопротивления провода постоянному току при температурах 20–150 °С.
8. Испытание на стойкость системы «провод – поддерживающий зажим» к воздействию 100 млн циклов колебаний эоловой вибрации.
9. Испытание на стойкость системы «провод – поддерживающий зажим» к воздействию 100 тыс. циклов колебаний пляски (галлопирование).
10. Определение механической прочности (рис. 2) на разрыв (прочность заделки провода в системе):

• «провод – натяжной зажим»;
• «провод – соединительный зажим».

11. Определение качества электрического контакта системы «провод – зажим» после термического старения (500 циклов нагрева-охлаждения).
12. Определение предельных токовых нагрузок с учетом солнечной радиации, температуры окружающего воздуха, скорости и направления ветра по условиям сохранения механической прочности проводов и обеспечения сохранения наименьших допустимых вертикальных расстояний от проводов ВЛ до поверхности земли и/или до пересекаемых объектов.

Результаты испытаний

По результатам проведенных испытаний провода АКТ 400/65 установлено, что провода с композитным сердечником по сравнению с проводом ACSR одинакового сечения токопроводящей части имеют следующие преимущества:

• уменьшение внешнего диаметра провода на ~10%;
• снижение массы провода на ~19,5%;
• повышение разрывной прочности на ~40%;
• снижение коэффициента линейного удлинения на ~15%;
• увеличение длины пролета при одинаковой стреле провеса на ~11,5%;
• снижение количества промежуточных опор на 10 км линии на ~14%;
• увеличение предельной токовой нагрузки (повышение пропускной способности) на ~71%.

Результаты испытаний провода АКТ 400/65 в сравнении с проводом ACSR 400/64 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты испытаний.

Характеристика провода	ACSR 400/64	АКТ 400/65	Результат сопоставления характеристик, %
Сечение токопроводящей части, мм2	390	390,4	+0,1
Сечение сердечника, мм2	64	65	+1,5
Диаметр провода, мм	27,7	24,7	–10,8
Механическая прочность на разрыв, Н	129183	170233	+31,8
Предельная токовая нагрузка при допустимой температуре, А: 70 °С 90 °С 150 °С	860 1053 –	1090 1310 1802	+26,7 +24,4 +71,1
Длина пролета при одинаковой стреле провеса провода, м	350	435	+11,5
Количество опор на 5 км ВЛ	16	13	–18,7
Температурный коэффициент линейного удлинения сердечника, 10–6 1/°С	12	1,95	–83,7
Температурный коэффициент линейного удлинения провода, 10–6 1/°С	19,2	17,2	–10,4
Стрела провеса провода при температуре воздуха –5 °С в III районе по ветру и гололеду в пролете, м: 350 400 450	8,92 11,72 14,84	5,74 7,51 9,5	–35,9
Потери на перемагничивание, % от основных тепловых потерь	5,1	отсутствуют	–

Список литературы

1. ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия.
2. Инновационные провода для ВЛ / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ruscable.ru/article/Innovacionnye_provoda_dlya_vozdushnyx_linij_part1/.
3. Министерство энергетики Российской Федерации. Правила устройства электроустановок, Москва, 2000 г. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.elec.ru/viewer?url=/library/direction/pue_6.pdf.
4. Тимашова Е.П. Повышение надежности воздушных линий электропередачи и оптимизация их проектирования при применении проводов нового поколения / Е.П. Тимашова, Е.П. Никифоров // Основные преимущества проводов нового поколения. – CIGRE, 2014. – С. 1-6.