Знание отрасли

Почему изолированные кабели заменяют оголенные воздушные проводники и что требуется для перехода

Замена оголенных проводов ВЛ на воздушный изолированный кабель s (AIC) в распределительных сетях определяется сочетанием факторов безопасности, надежности и технического обслуживания, которые существенно усугубляются в конкретных условиях установки. Голые проводники на деревянных или бетонных опорах были стандартной технологией распределения электроэнергии уже более столетия, но их эффективность в районах с густой растительностью, прибрежных районах и городских сетях с высокой частотой отказов привела к широкому внедрению изолированных альтернатив, начиная с 1970-х годов в Скандинавии и постепенному внедрению в Азии, Африке и Латинской Америке в течение следующих десятилетий.

Основным техническим преимуществом воздушных изолированных кабелей по сравнению с неизолированными проводниками является снижение тока повреждения от контакта проводник-проводник и проводник-дерево. Для голой распределительной линии 11 кВ, проходящей через крону деревьев, требуется свободный коридор шириной 2–3 метра с каждой стороны для предотвращения контакта ветвей при ветровой нагрузке; изолированный воздушный кабель может выдерживать прямой контакт ответвления без возникновения неисправности, поскольку изоляция выдерживает контактное напряжение в течение всего времени контакта. Это позволяет уменьшить ширину полосы отвода на 40–60%, что значительно снижает затраты на расчистку земель и воздействие на окружающую среду в лесных регионах. Изоляция не обеспечивает постоянную контактную устойчивость — постоянное давление в ответвлении в конечном итоге истирает оболочку и проникает в проводник — но она преобразует потенциально фатальные мгновенные неисправности в управляемые медленно развивающиеся состояния, которые можно обнаружить и устранить до того, как они перейдут в режим отключения.

Переход от голых к изолированным воздушным системам требует изменений в оборудовании, методах установки и координации систем защиты, которые часто недооцениваются при планировании проекта. Фитинги для столбов с оголенными проводниками — изоляторы с зажимами, изоляторы катушек и оборудование для траверс — несовместимы с установкой AIC, для которой требуются системы поддержки несущего провода, заранее сформированные спиральные захваты, подвесные зажимы и натяжные зажимы, предназначенные для конкретного наружного диаметра кабеля и номинального механического натяжения. Настройки реле защиты, откалиброванные для токов повреждения оголенного проводника, должны быть повторно откалиброваны для изолированных кабелей, где изоляция задерживает развитие повреждения, изменяя времятоковой профиль, наблюдаемый реле максимального тока. Коммунальные предприятия, которые устанавливают проводники AIC на оборудование, предназначенное для неизолированных проводников, или которые не могут отрегулировать настройки реле защиты, часто сталкиваются с пропущенным обнаружением неисправности или нежелательными отключениями в переходный период.

Конструкция связного провода в низковольтных воздушных кабелях и ее влияние на провисание и натяжение

Низковольтные воздушные кабели в пучке (ABC, обычно на напряжение 0,6/1 кВ) доступны в двух механических конфигурациях: со специальным неизолированным проводом, который несет полную механическую нагрузку пучка, и самонесущие конфигурации, в которых один из изолированных проводников служит механической нейтралью. Выбор между этими конфигурациями имеет значительные последствия для длины пролета, натяжения при установке, поведения провисания при изменении температуры и долгосрочной механической надежности.

В ABC с поддержкой мессенджера носитель обычно представляет собой оцинкованную стальную проволоку или алюминиевый проводник, армированный сталью (ACSR), выбранный независимо от требований к электрическому току. Посыльный несет на себе цепную нагрузку всего пучка кабелей, а изолированные проводники свисают с него с помощью кабельных стяжек или заранее сформированных захватов через равные промежутки — обычно через каждые 0,5–1,0 метра вдоль пролета. Механическая конструкция мессенджера определяется максимальной расчетной пролетом кабеля, условиями ветровой и ледовой нагрузки, применимыми к региону установки, а также максимально допустимым провисанием (которое влияет на требуемый зазор по высоте опоры над землей). Для пролета длиной 60 метров в зоне умеренного ветра с 4-жильным пучком АВС сечением 4×70 мм² напряжение несущего поводка в условиях максимальной нагрузки может достигать 8–12 кН, что требует разрывной прочности связующего не менее 24–36 кН с коэффициентом запаса прочности 3. Использование несущего поводка меньшего размера, который летом приводит к чрезмерному провисанию (когда тепловое расширение удлиняет алюминиевые жилы), может привести к контакту пучка с конструкциями или растительностью ниже расчетной высоты просвета.

Самонесущий ABC устраняет необходимость использования отдельного посредника, используя нейтральный проводник одновременно в качестве электрической нейтрали и механического носителя нагрузки. Нейтральный проводник в этой конфигурации должен быть механически рассчитан на полную контактную нагрузку, что означает, что он часто изготавливается из ACSR (алюминиевый провод, армированный сталью) или твердотянутого алюминиевого сплава, а не из отожженного алюминия, используемого в фазных проводниках. Натяжение нейтрального проводника при максимальной ледовой и ветровой нагрузке должно находиться в пределах номинального предела натяжения проводника, который ограничивает максимально достижимый пролет. Для самонесущего НН ABC типичные максимальные пролеты составляют от 40 до 80 метров в зависимости от размера проводника и регионального класса нагрузки; за пределами этих пролетов требуются промежуточные опорные опоры, даже если падение напряжения на пролете позволяет увеличить электрический пролет. Самонесущая конфигурация проще в установке (не требуется отдельная установка мессенджера), но обеспечивает меньшую гибкость конструкции, чем системы с поддержкой мессенджера, для необычной геометрии пролетов или тяжелых ледовых нагрузок.

Выбор изоляционного материала для воздушных кабелей среднего напряжения в сложных условиях эксплуатации

Среднее напряжение воздушный изолированный кабель Кабели (обычно 10–35 кВ) работают в условиях длительного воздействия УФ-излучения, широкого диапазона температур и прямого контакта с погодными условиями — условий, которые предъявляют значительно более высокие требования к характеристикам изоляционного материала, чем защищенная среда подземной или внутренней прокладки кабеля. Изоляция должна одновременно обеспечивать достаточную диэлектрическую прочность для данного класса напряжения, противостоять фотодеградации и термическому окислению в течение 30–40 лет срока службы и сохранять достаточную механическую гибкость для установки при низких температурах. Эти требования указывают на изоляционные системы из сшитых полимеров, а не на термопластичные материалы.

Сшитый полиэтилен (сшитый полиэтилен) является доминирующим изоляционным материалом для автоматических коммутационных устройств среднего напряжения благодаря сочетанию высокой диэлектрической прочности, низкой диэлектрической проницаемости, превосходной стойкости к ультрафиолетовому излучению с соответствующими добавками технического углерода или стабилизатора УФ-излучения, а также температурному диапазону 90°C в непрерывном режиме/250°C при коротком замыкании. В отличие от термопластичного полиэтилена, сшитый полиэтилен не размягчается и не течет под постоянными механическими нагрузками при повышенных температурах — критическое свойство для воздушных кабелей, которые могут работать при высоких температурах и пиковых нагрузках летом. Сшивающая сеть предотвращает изменения размеров, которые в противном случае произошли бы в прямолинейном полиэтилене при температуре выше его кристаллической температуры плавления (~ 125°C), сохраняя геометрию изоляции и, следовательно, характеристический импеданс при всех условиях эксплуатации.

EPR (этиленпропиленовый каучук) используется в AIC среднего напряжения для применений, требующих большей гибкости при низких температурах установки или превосходной влагостойкости. Кабели AIC с изоляцией из этилен-пропиленового каучука остаются гибкими при температуре –40°C, их можно устанавливать и эксплуатировать без риска растрескивания изоляции в арктических или высокогорных условиях, где кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена становятся опасно хрупкими. Аморфная молекулярная структура EPR также обеспечивает присущую ему стойкость к образованию водяных деревьев без использования пакетов антиадгезионных добавок, необходимых для сшитого полиэтилена, что актуально для установок AIC в прибрежных зонах с высокой влажностью, где конденсация влаги на поверхности изоляции является постоянным условием. Компромиссом является более высокая диэлектрическая проницаемость EPR (2,8–3,5 по сравнению с 2,3 для сшитого полиэтилена), что увеличивает емкостной зарядный ток кабеля — незначительное соображение при среднем напряжении, но актуальное для длинных сельских фидерных линий, где зарядный ток представляет собой измеримую часть тепловой токовой нагрузки.

Внешняя оболочка AIC среднего напряжения представляет собой отдельный слой черного полиэтилена или полиэтилена высокой плотности, стабилизированный УФ-излучением, нанесенный поверх изоляции. Основными функциями куртки являются защита от ультрафиолета (углеродная сажа в количестве 2–3% по весу обеспечивает поглощение ультрафиолета широкого спектра), механическая защита от истирания от контакта с ветками и защита птичьего клюва — серьезная проблема в регионах, где обитают крупные врановые или попугаи, которые клюют изоляцию кабеля. Твердость оболочки и толщина стенок рассчитаны на устойчивость к нападению птиц; некоторые спецификации AIC требуют, чтобы минимальная твердость оболочки по Шору D составляла 50–55, а минимальная толщина стенки оболочки составляла 1,5–2,0 мм специально для устранения этого вида отказа в уязвимых географических регионах.

Сравнение конструкций изолированных воздушных кабелей низкого и среднего напряжения

Хотя как низковольтные, так и средневольтные воздушный изолированный кабель Они предназначены для подвесной наружной установки, их конструкции существенно различаются по ряду параметров, обусловленных различными классами напряжения, требованиями к механической нагрузке и условиями установки. Понимание этих различий помогает коммунальным предприятиям и инженерам-проектировщикам составить правильные спецификации и избежать применения методов прокладки кабелей низкого напряжения к установкам среднего напряжения и наоборот.

Требование к полупроводниковым проводникам и изоляционным экранам в AIC среднего напряжения является наиболее существенным конструктивным отличием и часто неправильно понимается группами закупщиков, знакомыми только со спецификациями кабелей низкого напряжения. Без экрана проводника электрическое поле на поверхности многожильного проводника крайне неоднородно — сконцентрировано на краях жил и выступах поверхности — и в этих точках концентрации возникает частичный разряд. В кабеле AIC напряжением 10 кВ градиент электрического поля на неэкранированной поверхности проводника может в 5–10 раз превышать среднее поле в изоляции, что намного превышает порог возникновения частичного разряда для сшитого полиэтилена. Полупроводниковый экран гомогенизирует это поле, создавая гладкую, непрерывную эквипотенциальную поверхность изоляции, уменьшая пиковое поле почти до среднего значения. Отсутствие или неправильное применение экрана проводника на кабеле AIC среднего напряжения - чего не может произойти с кабелем низкого напряжения, поскольку кабели низкого напряжения не имеют такого требования, а этап строительства просто не существует - приводит к деградации, вызванной частичным разрядом, что сокращает срок службы кабеля с ожидаемых 30–40 лет до потенциально 3–5 лет.

Стандарты ветровой и ледовой нагрузки для механической конструкции воздушных кабелей: как региональный климат влияет на выбор проводника

Механическая конструкция кабелей с воздушной изоляцией (сплав жил, поперечное сечение, конструкция скрутки и номиналы опорного оборудования) определяется максимальной комбинированной ветровой и ледяной нагрузкой, которую кабель должен выдерживать без остаточной деформации или разрушения прядей. Различные региональные стандарты определяют расчетные случаи нагрузки на основе местных климатических данных, а выбор механической конструкции кабеля, оптимизированной для умеренного европейского климата, и установка ее в канадских или норвежских условиях с высокой ледяной нагрузкой является систематической ошибкой проектирования, которая приводит к чрезмерному провисанию, выдергиванию разъема или усталостному разрушению проводника в течение первых нескольких лет эксплуатации.

Стандарт IEC 60826 обеспечивает основу для механического проектирования воздушных линий и определяет три уровня надежности нагрузки (I, II, III), соответствующие периодам повторяемости 50, 150 и 500 лет для расчетного ветрового и ледового явления. В большинстве спецификаций распределительных компаний используется уровень надежности I или II. В рамках МЭК ледовая нагрузка характеризуется эквивалентной толщиной льда на проводнике — обычно 0 мм (без льда), 10 мм, 20 мм или 30 мм — в сочетании с одновременным давлением ветра. Ледяная гильза толщиной 30 мм на проводе площадью 95 мм² добавляет к проводнику примерно 2,5 кг/м собственной нагрузки; при пролете 100 метров это соответствует дополнительным 250 кг веса контактной сети, который должны выдерживать проводник и опорное оборудование. Максимальное натяжение проводника в этих условиях в сочетании с начальным установочным натяжением должно оставаться ниже номинального повседневного напряжения проводника (RET) — обычно 20–25% от номинального предела прочности проводника (RTS) для проводников из алюминиевых сплавов в распределительных сетях.

Ветровая нагрузка на изолированные воздушные кабели отличается от ветровой нагрузки на неизолированные провода, поскольку больший внешний диаметр изолированного кабеля обеспечивает большую площадь поперечного сечения для давления ветра. Неизолированный провод ACSR сечением 95 мм² имеет внешний диаметр примерно 13,5 мм; тот же проводник, изолированный сшитым полиэтиленом для работы на напряжение 10 кВ, может иметь внешний диаметр 28–32 мм, что создает более чем в два раза большую силу сопротивления ветра на единицу длины. Поставщики кабеля, которые предоставляют механические характеристики на основе поперечного сечения проводника без учета увеличенного аэродинамического диаметра изолированной кабельной сборки, будут систематически занижать расчетную ветровую нагрузку, что потенциально может привести к тому, что кабели превысят максимальное повседневное натяжение в расчетных ветровых условиях даже без ледяной нагрузки. Спецификации закупок должны прямо требовать, чтобы при расчете механической конструкции учитывался общий внешний диаметр кабеля, а не только свойства оголенного проводника.

Выбор сплава проводника напрямую влияет на характеристики нагрузки на лед посредством концепции ползучести. Алюминиевые проводники под постоянным напряжением испытывают зависящее от времени удлинение (ползучесть), которое отличается от упругого растяжения — ползучесть не восстанавливается после снятия нагрузки, что приводит к постоянному увеличению провисания в течение срока службы. Отожженный алюминий (используемый в низковольтных проводниках ABC для обеспечения гибкости) имеет значительно более высокие скорости ползучести, чем нагартованный алюминиевый сплав (AAAC, AAAR) при эквивалентном растяжении. В регионах, подверженных гололеду, где проводники периодически испытывают высокие напряжения во время ледовых нагрузок, использование проводов из отожженного алюминия приводит к постепенному увеличению провисания в течение 10–15 лет, что в конечном итоге нарушает требования к дорожному просвету. Использование проводников из твердотянутого алюминиевого сплава с предварительным натяжением ползучести во время установки является стандартной конструктивной мерой в регионах с регулярной ледовой нагрузкой.

Соединение и заделка воздушных изолированных кабелей: методы, определяющие долгосрочную надежность

По статистике, соединения и окончания воздушных изолированных кабелей являются наиболее распространенными местами преждевременного выхода из строя воздушных распределительных сетей. Правильно изготовленный кабель, отвечающий всем электрическим и механическим характеристикам, может стать ненадежным из-за одного плохо выполненного соединения или неправильного заделки, а при воздушной прокладке отказы соединений обычно приводят к замыканиям разомкнутой цепи, которые вызывают отключения, а не к замыканиям на землю, которые реле защиты воздушных линий оптимизированы для быстрого обнаружения и устранения. Понимание важнейших этапов соединения и заделки воздушных кабелей объясняет, почему специальное обучение и инструменты для этих операций не подлежат обсуждению.

Соединения для пучка антенн низкого напряжения

Низковольтные соединения ABC выполняются с использованием прокалывающих соединителей (также называемых прокалывающими изоляцию соединителями или IPC), которые крепятся к изолированному кабелю без необходимости снятия изоляции. Корпус разъема содержит прокалывающие зубья из нержавеющей стали, которые проникают в изоляцию и вступают в контакт с проводником, когда разъем затягивается до заданного значения с помощью болта со срезной головкой — болт срезается при определенном крутящем моменте, обеспечивая тактильное подтверждение того, что достигнуто правильное усилие контакта, и предотвращая чрезмерное затягивание, которое может повредить жилы проводника. Корпус прокалывающего соединителя самоуплотняется от проникновения влаги вокруг точек проникновения. Критическим параметром установки является крутящий момент сдвига: использование стандартного гаечного ключа и оценка крутящего момента на ощупь приводит к непоследовательному заделке соединений, которые либо недостаточно сжимаются (высокое контактное сопротивление), либо чрезмерно сжимаются (повреждение прядей) с высокой скоростью. IPC необходимо устанавливать с помощью калиброванного динамометрического ключа или фирменного ограничителя крутящего момента, поставляемого производителем разъема для конкретной серии разъемов.

Соединения и наконечники для воздушных кабелей среднего напряжения

Среднее напряжение AIC joints and terminations require restoration of each insulation layer in the correct sequence — conductor screen, insulation, insulation screen, metallic screen, and outer jacket — using materials that are electrically and mechanically compatible with the cable's original construction. Pre-formed cold-shrink or heat-shrink joint kits from reputable manufacturers provide calibrated material volumes and assembly sequences for specific cable families. The most critical step is the preparation of the insulation screen at the joint interface: the transition from screened to unscreened insulation must be smooth and gradual (typically a penciled taper of 15–25 mm length) to prevent field concentration at the screen cutback. An abrupt screen cutback — caused by using cutting tools that score the insulation surface or failing to taper the semiconductor layer — creates a triple point (conductor screen, insulation, and surrounding air meet at a single geometric point) where the electric field concentration can be 10–20 times the average field in the insulation, initiating partial discharge at operating voltage even when the rest of the joint is correctly assembled.

Наружные выводы на АИП СН подлежат трекингу — образованию токопроводящих углеродных дорожек вдоль поверхности изоляции, вызванному осаждением загрязнений в сочетании с периодическим намоканием. Трекинг развивается постепенно: образование дуги в сухой зоне на границах влажной и сухой зон на поверхности изоляции генерирует достаточно энергии для локальной карбонизации поверхности изоляции, а повторяющиеся циклы образования дуги расширяют путь углерода к проводнику, находящемуся под напряжением, на месяцы или годы. Стандартной мерой противодействия является использование комплектов наружных концевых заделок с термоусадкой или холодной усадкой, которые включают в себя навес из силиконовой резины с высоким сопротивлением трекингу — ряд ребер в форме зонтика, которые увеличивают длину пути утечки между проводником под напряжением и заземленным металлическим экраном, а также защищают от дождя, чтобы предотвратить образование непрерывных слоев влажного загрязнения. В средах с высоким уровнем загрязнения (прибрежные районы, промышленные зоны, пустынные регионы с щелочной пылью) требуемая длина пути утечки на кВ номинального напряжения превышает стандартную спецификацию IEC 60071, что требует либо более длинных концевых заделок, либо обработки защитных навесов силиконовой смазкой для защиты от загрязнения.

Различия в координации обнаружения и защиты между неизолированными воздушными линиями и воздушными изолированными кабельными сетями

Преобразование распределительной сети с оголенных воздушных проводов на воздушные изолированные кабели меняет поведение сети при неисправностях таким образом, что требуются соответствующие изменения в настройках реле защиты, последовательности операций реклоузера и философии обнаружения неисправностей. Коммунальные предприятия, которые устанавливают AIC без проверки и корректировки координации защиты, часто сталкиваются с периодами либо пропущенного обнаружения повреждения (защита, которая не срабатывает из-за повреждений с высоким импедансом, которые задерживают изоляцию), либо мешающей работы (защита, которая неправильно интерпретирует переходные повреждения, ограниченные изоляцией, как постоянные повреждения, требующие блокировки).

Наиболее значительным изменением является поведение замыканий контакта проводник-проводник и проводник-дерево. На оголенной воздушной линии междуфазный контакт из-за ветра или упавшей ветки дерева создает болтовое замыкание с очень низким импедансом — обычно сопротивление дуги менее 1 Ом — и создает токи повреждения, которые легко обнаруживаются элементами защиты от сверхтоков за миллисекунды. В изолированном воздушном кабеле тот же контакт создает ток повреждения, который должен протекать через сопротивление изоляции и емкость кабеля, а не непосредственно между проводниками. При свежем контакте через неповрежденную изоляцию ток повреждения может составлять всего несколько ампер — ниже порога срабатывания реле максимального тока, откалиброванного на повреждения оголенного проводника. Изоляция постепенно ухудшается под постоянным электрическим напряжением, и ток повреждения увеличивается в течение нескольких минут или часов, пока не достигнет порога срабатывания реле. Такое запоздалое развитие неисправности означает, что неисправность, которая была бы устранена за 0,3 секунды в сети с голым проводом, может занять 30–90 минут, чтобы развиться до уровня, при котором реле отключается в изолированной кабельной сети, что потенциально может вызвать устойчивое ухудшение изоляции, нагрев кабеля и возгорание в сухой растительности, где находится кабель.

Соответствующее изменение философии защиты для сетей AIC предполагает дополнение стандартной защиты от сверхтоков защитой от замыканий на землю, достаточно чувствительной для обнаружения токов короткого замыкания низкого уровня, вызываемых замыканиями контактов, ограниченными изоляцией. Реле чувствительного замыкания на землю (SEF) с порогами срабатывания 1–5 А (по сравнению с 10–50 А для стандартной защиты от замыкания на землю в сетях с голыми проводами) могут обнаружить первоначальный ток утечки через поврежденную изоляцию и отключить фидер до того, как повреждение достигнет точки полного пробоя изоляции. Компромиссом является повышенная чувствительность к нормальному дисбалансу системы и гармоническим токам, что требует тщательной настройки порога реле SEF и координации задержки времени, чтобы избежать нежелательных отключений из-за несимметрии нагрузки в сельских сетях с длинными однофазными отводами. Заземление нейтрали сети среднего напряжения — эффективно заземленное, резонансно заземленное (катушка Петерсена) или изолированная нейтраль — определяет как величину токов замыкания на землю, так и соответствующую чувствительность реле SEF, что делает анализ философии защиты неотделимым от конфигурации системы заземления при переходе от незащищенного к изолированному воздушному распределению.