Проводници за средно напрежение
Електроснабдителната мрежа е взаимосвързана система за пренос и доставка на електроенергия. Чрез изходящи силови въздушни или кабелни линии от електрическата централа или подстанцията се пренася електрическа енергия към потребителите. Проводниците са основният елемент при изграждането на електроразпределителните линии за средно напрежение от 1 до 35kV включително. В статията ще разкажем за въздушните алуминиеви, стоманени, стоманено-алуминиеви проводници и от алуминиева сплав Алдрей за подземните силови кабели.
Текст: списание Енергия
снимка: EVN
В България се използват въздушни електропреносни линии за променлив ток с честота 50Hz. Пренасянето на електрическата енергия в електроразпределителната мрежа по-масово се извършва посредством променлив, а не постоянен ток. Последният се използва само в определени случаи, например за свързване на електроенергийни системи, захранване на контактната мрежа и др. Причината е, че променливият ток лесно се преобразува чрез трансформатор до получаване на повишено напрежение. Силата на тока е по-малка, по-малки са и загубите на електроенергия в проводниците. Те са с по-малко сечение, по-леки и по-евтини. Подмяната на единичен въздушен проводник е по-евтина от подмяната на силов кабел. За изграждането на електропроводи в гъсто населени места се използват и различни видове силови кабели. Разпределителната електрическа мрежа осигурява разпределение на електрическата енергия чрез въздушни проводници или силови подземни кабели на къси разстояния от градски трансформаторни подстанции за средно напрежение 35kV до различно отдалечени извънградски потребители. Фазовите проводници на въздушните електропроводи са раздалечени на значително разстояние. Те практически не създават реактивно съпротивление. Понякога все още се използват и въздушни изолирани кабели, обикновено за пренасяне на енергия на къси разстояния - по-малко от километър. Въздушните проводници на ток с напрежение от 20kV и по-ниско (10kV) пренасят електричеството до селищните трансформаторни подстанции, понижаващи напрежението до 0,23/0,4kV за битовите и промишлени потребители. Разпределителните мрежи за средно напрежение се изграждат както отворени, така и затворени, но последните работят в отворен режим. В отворените мрежи електрическите потребители могат да получават електричество само от една страна. Те са радиални, магистрални и разклонени. Затворена е електрическата мрежа, при която всяка електропроводна линия е включена в поне един затворен контур. Въздушните електропроводи и подземните силови кабели представляват основната част на електроразпределителната мрежа от понижаващата подстанция до крайната точка на потреблението.
Алуминиеви проводници
Алуминиевите въздушни проводници се различават от медните по значително по-ниското си тегло и по-голямото електрическо съпротивление (28,7 - 28,8Ω;mm2/km), както и по по-ниската механична якост за въздушни електропроводи (16-18kgf/mm2). Алуминиевите проводници се използват главно в селищни мрежи. Ниската механична якост на тези проводници не позволява много опъване. За да се увеличи механичната якост на алуминиевите проводници, те се правят от многожилни твърди жици. Устойчиви са на атмосферните въздействия, но са неустойчиви на въздействието на вредните въздушни примеси. Ето защо за въздушни електропроводи, изградени в близост до морски брегове и химически заводи, се препоръчват алуминиеви проводници, които са защитени от корозия. За целта междужилното пространство се запълва с неутрална грес. Алуминиевите проводници са маркирани с буквата А и се добавя номиналното сечение на проводника.
Стоманени проводници
Стоманените въздушни проводници имат висока механична якост на опън 55-70kgf/mm2. Те са или едножилни, или многожични. Специфичното електрическото съпротивление (СЕС) на стоманените проводници е значително по-високо от това алуминиевите. В електрическите мрежи за променлив ток СЕС зависи от величината на тока, протичащ през проводника. Стоманените проводници се използват в селищните електроразпределителни мрежи с напрежение до 10kV при пренасяне на сравнително малък капацитет, когато изграждането на линии с алуминиеви проводници е по-малко изгодно. Значителен недостатък на стоманените проводници е тяхната податливост на корозия. За да се намали корозията, проводниците сe поцинковат. Произвеждат се две марки многожични стоманени проводници - стоманени с диаметър 3, 3,5 или 5mm и стоманено-помеднени. Последните имат медна добавка до 0,2%. Стоманени многожични кабели се използват и за мълниезащита.
Стоманено-алуминиеви проводници
За въздушни електропроводи се използват основно голи проводници от усукани алуминиеви и стоманени нишки, известни като aluminum conductor steel reinforced (АСSR). Конструкцията им представлява поцинкована стоманена сърцевина (едножична или усукана от 7 или 19 проводника), около която има алуминиева част, състояща се от 6, 24 или повече проводници. Но още по добър проводник е този от изцяло алуминиева сплав all-aluminum-alloy conductor (АААС). Алуминият се използва, защото има около половината тегло и по-ниска цена в сравнение със съпоставимото съпротивление на меден проводник. Това обаче изисква по-голям диаметър на алуминия от медта поради по-ниската проводимост. Сега медта се използва особено при по-ниски напрежения и за заземяване. По-големите проводници губят по-малко енергия поради по-ниското си електрическо съпротивление и струват повече от по-малките проводници. Тъй като проводникът е гъвкав обект с хомогенна маса на единица дължина, дължината на проводника виси между два стълба, което го приближава до верижната линия. Провисващият проводник (вертикалното разстояние между най-високата и най-ниската точка на кривата) варира в зависимост от температурата и допълнителното натоварване, например ледена покривка. Tъй като температурата на проводника се увеличава с увеличаване на топлината, генерирана от тока през него, понякога е възможно да се увеличи капацитетът на мощността (завишаване) чрез промяна на проводниците за тип с по-нисък коефициент на топлинно разширение или по-висока допустима работна температура. Двата проводника АСSR и АААС, които предлагат намалено термично провисване, са известни като съставно ядро от проводници. Вместо основните стоманени нишки, които често се използват за увеличаване на общата якост на проводника, в АААС вече се използват въглеродни и стъклени влакна чрез изтегляне (pultrusion). Така АААС придобива коефициент на топлинно разширение около 1/10 от този на стоманата. Докато композитната сърцевина е непроводима, тя е значително по-лека и устойчива от стоманата. Това позволява вграждането на 28% повече алуминий, като се използват компактни трапецовидни нишки без диаметър или увеличаващо се отрицателно тегло. Добавеното съдържание на алуминий спомага за намаляване на линейните загуби от 25 до 40% в сравнение с други проводници със същия диаметър и тегло в зависимост от електрическия ток. Намаляването на термичното провисване на въглеродната сърцевина на проводника дава възможност да се пренася два пъти по-голям ток ("токово натоварване“) в сравнение с напълно алуминиев проводник AAAC или ACSR. За по-пълна характеристика на стоманено-алуминиеви проводници в марката се въвеждат номиналното напречно сечение на проводниците и сечението от стоманена сърцевина, например AC-150/24 или AAC-150/34. Стоманено-алуминиевите електропроводи често са оборудвани със заземен проводник - екраниран, статичен или надземен. За заземяващ проводник обикновено е заземена горната част на носещата конструкция. Така се свежда до минимум вероятността от директен удар на мълния във фазови проводници. В заземени вериги заземяващия проводник служи и като паралелен път към земята за ток на късо съединение. Въздушните електропроводи за средно напрежение могат също да имат един или два екранирани проводници или заземен проводник, нанизан под фазовите проводници, за осигуряване известна степен на защита срещу високи превозни средства или оборудване, които могат докоснат активираната линия. От голямо значение за въздушния електропровод е поддържане на достатъчно разстояние между него и земята. Целта е да се предотврати опасен контакт с него и осигуряване на надеждна опора, както и устойчивост на бури, ледови товари, земетресения и други възможни повреди.
Проводници от алуминиева сплав Алдрей
Въздушните проводници от алуминиевата сплав Алдрей имат приблизително същото електрическо съпротивление като алуминиевите, но имат по-голяма механична якост. Алдрей, е сплав на алуминий с малки количества желязо-0,2%, магнезий-0,7% и силиций-0,8%. По отношение на корозионната си устойчивост, тя е равна на алуминия. Недостатък на проводниците от Алдрей е тяхната ниска устойчивост на вибрации.
Изолирани въздушни електропроводи
Изолираните проводници за напрежения над 1kV са едножилни и са предназначени за въздушни електропроводи с напрежение до 20kV. Проводниците според своята конструкция, технически характеристики и експлоатационни свойства отговарят на финландския стандарт SFS 5791, 1994. Изолираният проводник е изолирано многожично токопроводимо жило от алуминиева сплав, осигуряващо необходимите електрически и механични характеристики. Токопроводимото жило се изпълнява от алуминий със стоманена поцинкована сърцевина. Защитната изолационна обвивка е изработена от атмосфероустойчив омрежен полиетилен с черен цвят. Произвеждат се и проводници със защитна изолация за въздушни електропроводи с напрежение 35kV в две марки - защитен от влага, и мълниезащитен. И двете марки са едножилни уплътнени проводници. Допуска се изпълнение на токопроводящото жило от алуминий да е със стоманена поцинкована сърцевина. За да се предотврати миграцията на влага по каналите между проводниците, при усукване на жилата се въвеждат нишки, блокиращи водата. При контакт с вода адсорбентът, съдържащ се в тези нишки, абсорбира водата като увеличава многократно обема си и запълва всички празнини между проводниците. Така се елиминира по-нататъшното разпространение на влагата по проводника. Изолацията на влагозащитения проводник се състои от два слоя. Долният слой е направен от омрежен полиетилен, а горният слой е от атмосфероустойчив омрежен полиетилен. Изолацията на мълниезащитния проводник се състои от три слоя. Първият слой е направен от електропроводим омрежен полиетилен, вторият е от чисто изолиращ омрежен полиетилен, а третият е от проследяващ атмосфероустойчив омрежен полиетилен.
Подземни силови кабели
Електрическите кабели, монтирани в подземни канали, се използват широко в градове, където липсата на място или съображения за безопасност възпрепятстват използването на въздушни електропроводи. За разлика от въздушния електропровод, в такъв подземен кабел винаги използва чиста мед или алуминий (под земята механичната якост не е проблем), като многожилната конструкция на проводника повишава електрическата проводимост. Силовите кабели могат да работят на постоянен ток, както и с честота 50Hz на променлив ток със заземена нула. Те имат не повече от три проводника, всеки от които може да бъде с диаметър 2,5cm или повече. Едно- и трижилни кабели се използват в мрежи с напрежение 1-35kV. Такива кабели се предлагат с импрегнирана хартия, гумена и пластмасова изолация, като най-перспективният вид изолация е пластмасата. Кабелите с пластмасова изолация са по-лесни за производство, удобни за монтаж и експлоатация. Те се произвеждат с едножилни и многожилни, медни или алуминиеви токопроводими жила, с кръгла или секторна форма, с напречни сечения от 1,5 до 240mm2. За кабел за напрежение 1-10kV може да се използва както поливинилхлоридна, така и полиетиленова изолация. Кабелите за напрежение от 35kV имат само полиетиленова изолация, която осигурява по-високи електроизолационни характеристики. При кабелите с импрегнирана хартия с маслено-колофонов състав и сулфатно хартиени пълнители освен броня от стоманени ленти е добавена и метална обвивка от олово. Тя предпазва хигроскопичната хартиена изолация от вредното въздействие на влагата. Жилата със секторна форма спестяват място и намаляват теглото на кабела. Например едножичното медно токопроводимо жило може да е с напречно сечение 25-50mm2, a многожичнoто 25-800mm2. Основната цел на този тип кабели е да пренасят електрическа енергия при напрежения до 35kV с възможност за полагане не само в земята, но и във въздуха и дори във водна среда при изпълнено стационарно състояние. Недостатък на силовите кабели с импрегнирана хартиена изолация е ограничението при полагане на терен с голяма разлика във височините. В този случай импрегниращото съединение постепенно се оттича в долната част на кабелното трасе, което води до повишаване на налягането в кабела и може да причини повреда на обвивката. В същото време горната секция на кабела губи значителна част от импрегниращия състав, което води до образуване на празнини и следователно до намаляване на електрическата якост на кабела. В райони с голяма разлика във височината се използва силов кабел с хартиена изолация, импрегнирана с непропускливи съединения на базата на синтетичен церезин. Те имат висок вискозитет при работната температура на кабела, както и добра адхезия към жилото. Достатъчно високите електрически изолационни свойства позволяват тези кабели да се използват в мрежи с напрежение до 10kV. По време на работа кабелните линии създават реактивно натоварване с капацитивен характер в мрежата, което по дълги маршрути значително влияе върху качеството на електроенергията, променяйки cosφ на веригата. На къси разстояния кабелът може да работи като компенсация за загубата на електроенергия от индуктивни товари, създадени от мощни електродвигатели.