Проводници за високо напрежение
От електрическата централа или подстанцията чрез изходящи електропроводи се пренася трифазен променлив ток към разпределителната мрежа и крайния потребител. В енергийния пръстен на България за връзка между отделните електроцентрали обикновено се използва високо напрежение 110кV. Напрежения от 220 до 750kV се прилагат при трансгранично пренасяне на електроенергия.
В статията ще разкажем за съвременната технология HVDC, за конструкциите на въздушните неизолирани електропроводи, за алуминиевите и стоманено-алуминиевите проводници, за проводниците от алуминиева сплав Алдрей, за силовите кабели за напрежение 110 kV-400kV
Текст: списание Енергия
Пренасянето на електрическа енергия в електроснабдителната система се осъществява чрез въздушни електропроводи или силови кабели. В двата си края те са свързани със силови трансформатори. Единият трансформатор е повишаващ, а другият понижаващ Пренасянето на електрическата енергия на големи разстояния по-масово се извършва посредством променлив, а не постоянен ток. Променливият ток лесно се преобразува чрез стандартен трансформатор до получаване на повишено напрежение. Преносните въздушни линии в България са за напрежения 110kV, 220kV и 400kV. Според нормативните документи това са електропроводи за високо напрежение. За мрежата с високо напрежение отговаря Енергийния системен оператор. Въздушните далектропроводи обикновено се намират в полета, далеч от гъсто населените райони. Те пренасят електрическия ток от електроцентралите до понижаващи трансформаторни подстанции, откъдето токът се подава към промишлените и битови потребители. Най-често използваният проводник е алуминиева сплав, усукана в няколко нишки и подсилена със стоманени влакна. Медта е била популярна в миналото, а сега все още се използва при по-ниски напрежения или за заземяване. Алуминиевият проводник е по-лек и струва много по-малко. Проводниците за въздушни далекопроводи с високо напрежение са неизолирани. Понякога изолационни проводници все още се използват за пренасяне на енергия на къси разстояния от по-малко от километър. За пренасяне и разпределение на електрическата енергия в гъсто населени места се използват и различни видове силови кабели. Въздушните електропроводи и подземните силови кабели представляват основната част на електрическата мрежа, положена от генератора до крайната точка на потреблението.
Съвременна технология High-voltage direct current (HVDC)
Технологията HVDC (високо напрежение за пренасяне на постоянен ток) се използва при пренасяне на енергия на значителни разстояния - стотици и хиляди километри, в подводни енергийни системи над 30km или при обмен на електричество между мрежи, които не са синхронизирани една с друга. Линиите за постоянен ток с високо напрежение не създават около себе си нискочестотно променливо магнитно поле, кoeто е характерно за електропроводи с променлив ток. Учени говорят за опасностите на променливото магнитно поле, за човешкото здраве, растенията и животните. Постоянният ток от своя страна създава само постоянен градиент на електрическото поле в пространството между проводника и земята, което е безопасно за човека, животните и растенията. Постоянният ток с високо напрежение допринася за стабилността на променливотоковите системи. Чрез него е възможно да се прехвърля енергия между системите, които не са синхронизирани помежду си. Предотвратява се и разпространение на каскадни повреди. По този начин HVDC се използва за стабилизиране на големи разпределителни мрежи. При тях прекъсването на електрозахранването или внезапни нови натотварвания в една част от мрежата създават риск от несинхронизиране и каскадни сривове. При некритични повреди електрическата енергията просто се движи в системата или от системата. Това допринася за още по-голямо въвеждане на постоянно токови мрежи с високо напрежение. Енергийният поток се регулира от система за управление или преобразуваща станция.
Потокът не е свързан с режима на работа на системите, свързани към линията. Самите линии могат да бъдат проектирани, вземайки предвид оптимизирането на енергийните потоци. Така изчезват трудностите при синхронизиране на няколко различни енергийни системи, чрез управление работата на отделни системи. Тези предимства помагат за разделяне на големи енергийни системи на няколко части, които да са синхронизирани една с друга.
Обикновено HVDC- захранващата линия свързва двете зони на променливата мрежа за разпределение на мощността. Електронните устройства, които преобразуват между променливи и постоянни токове, значително увеличават цената на предаваната енергия. Но преобразувателната електроника осигурява възможност за ефективно управление на електроенергийната система, като контролира величината и потока на мощността. Това дава допълнително предимство на линиите HVDC за потенциално увеличаване на стабилността на електроенергийната система. Разработчици на електропроводи за високо напрежение на постоянен ток са Alstom Grid, Siemens и ABB. Цената варира в широки граници в зависимост от специфичните характеристики на проекта като номинална мощност, дължина на линията, въздушен или подводен начин на полагане на трасето, цена на земята и промяна в електрическата мрежа на променлив ток във всеки край на линията.
Конструкции на въздушни неизолирани електропроводи
Въздушните електропроводи работят в трудни условия, тъй като те са на открито и са изложени на различни атмосферни явления като вятър, дъжд, лед, температурни промени, химически примеси в околния въздух. Разнообразните работни условия на въздушните електропроводи определят необходимостта от различни конструкции на проводниците. Основните са едножични проводници от един метал, многожични проводници от един метал, многожични проводници от два метала, кухи проводници. Поради по-голямата си механична якост и гъвкавост в сравнение с едножичните проводници със същото напречно сечение, многожичните проводници са получили преобладаващо разпространение.
Кухите проводници се използват за електропроводи с напрежение 220kV и по-високо, тъй като поради големите си диаметри в сравнение с многожичните проводници могат да намалят или дори да избегнат загубите на енергия в короната. Многожичните проводници от един метал се състоят от няколко проводници, усукани заедно. Те имат един централен проводник, около който се правят последващи техни редове. Всеки следващ ред има 6 проводника повече от предишния - с един проводник в центъра, в първият ред има 6 други проводника, във вторият 12, в третият 18. Следователно в един ред проводникът е усукан от 7, в два реда от 19, в три реда - от 37 проводника. Усукването на съседни редове се извършва в различни посоки, което осигурява по-кръгла форма и дава възможност за получаване на проводник, който е по-устойчив срещу развиване. Временното съпротивление на многожичните проводници е около 90% от сумата от временните съпротивления на отделните жила. Висока временна устойчивост на материала може да бъде получена само за проводници със сравнително малки диаметри. Намалението на временното съпротивление на целия проводник се дължи на неравномерното разпределение на усилието, действащо по протежение на проводника между отделните му жила. При изграждането на въздушни мрежи в повечето случаи се използват многожични проводници. Алуминиевите проводници за въздушните токови линии винаги се правят многожични. Едножичните проводници, изработени от този метал, нямат необходимата механична якост и не осигуряват надеждно захранване на потребителите.
Алуминиеви проводници
Алуминиевите въздушни преносни електропроводи се различават от медните по значително по-ниското си тегло и по-голямото електрическо съпротивление - 28,7-28,8Ωmm2/km, както и по по-ниската механична якост за въздушни електропроводи - 16-18kgf/mm2. Алуминиевите проводници се използват главно в далекопроводни 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.
Стоманено-алуминиеви проводници
За въздушни електропроводи се използват основно 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). По-големите алуминиеви проводници в сравнение с медните губят по-малко енергия поради по-ниското си електрическо съпротивление. Те струват повече от по-малките проводници. Тъй като проводникът е гъвкав обект с хомогенна маса, неговата дължина виси между два стълба. Провисването на проводника (вертикалното разстояние между най-високата и най-ниската точка на кривата), варира в зависимост от температурата и допълнителното натоварване, например ледена покривка. Тъй като температурата на проводника се увеличава с увеличаване на топлината, генерирана от тока през него, понякога е възможно да се увеличи капацитетът на мощността чрез промяна на проводниците с 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 проводникова сърцевина 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-алуминиевите проводници при маркирането 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 заземенена 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 високо напрежение могат също да имат един или два екранирани проводника или заземен проводник, нанизан под фазовите проводници за осигуряване известна степен на защита. 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 почти 2 пъти по-голяма механична якост. Алдрей е сплав на алуминий с малки количества желязо (0,2%), магнезий (0,7%) и силиций (0,8%). Корозионната устойчивост е равна на тази на алуминия. Малкото специфично тегло на сплавта и голямата є механична якост правят възможно пренасянето на ток на големи разстояния.
Силови кабели за напрежение 110-400kV
Силовите кабели за високо напрежение се монтират в подземни канали. За разлика от въздушния електропровод, механичната якост не е проблем за подземния кабел. Последният винаги е от чиста мед или алуминий. Многожилната конструкция на проводника повишава електрическата му проводимост. Силовите кабели могат да работят на постоянен ток с напрежение от +100 до +400kV, както и с честота 50Hz на променлив ток с напрежение 110, 220, 400kV и по-високи, със заземена нула.
По-голямата част от високоволтовите кабели се произвеждат с хартиена изолация, напоена с масло - това са кабели с ниско и високо налягане, напълнени с масло. За напрежение 110-220 kV се произвеждат кабели с ниско налягане. Тези кабели имат само калайдисани медни проводници със сечение 120-800mm. Върху тях е положена хартиена изолация импрегнирана с минерално масло с нисък вискозитет. Високата диелектрична якост на изолацията на тези кабели се осигурява от излишното налягане на маслото в тях.
Mаслонапълнените кабели за високо налягане (в стоманени тръбопроводи) са за променливи напрежения от 110, 220, 400 kV. Конструкцията на кабела съдържа три фази, вкарани в стоманена тръба, която се напълва с масло под налягане от 1,5MPa. Всяка фаза е жило, усукано от медни телове и изолирано с импрегнирана кабелна хартия с висока електрическа якост. При полагане на кабела в земята стоманеният тръбопровод е защитен от корозия чрез полагане на покритие, състоящо се от слоеве огнеупорен битум с каолин. В Европа вече се разпространиха и напълнени с газ кабели, в които газът се използва както под формата на изолационна среда, така и за създаване на излишно налягане в изолацията. Най-приложими са силовите кабели с пластмасова изолация.