Проводи для повітряних ліній електропередачі

Електричні проводи для повітряних ліній електропередачі є одним з найважливіших компонентів ЛЕП. Вони слугують для передачі електричного струму і повинні володіти високою електропровідністю та механічною міцністю аби протистояти атмосферним впливам і наявним у повітрі шкідливим домішкам.

Проводи для повітряних ліній електропередачі поділяють на два класи: неізольовані та ізольовані. Вони можуть бути виконані з одного або двох видів металу у вигляді багатодротових і однодротових провідників. Однодротові проводи зазвичай виготовляють з алюмінію, міді і сталі невеликих перерізів та застосовують тільки для будівництва трас низької напруги. Багатодротові проводи виконують з алюмінію, сталі, бронзи, міді та сплавів на основі алюмінію або міді. Їх скручують з кількох дротів (іноді навіть десятків дротів), один з яких основний, а навколо нього скручуються усі наступні витки дротів. Причому кожний наступний виток накручується у протилежному напрямку. Така конструкція забезпечує багатодротовим проводам значно вищу гнучкість, триваліший строк експлуатації і дозволяє використовувати їх для облаштування повітряних мереж електропередачі.

Неізольовані «голі» проводи

Неізольовані проводи призначені в основному для повітряних ліній електропередачі, а також для антенних пристроїв і електрифікації енергозалежного транспорту: тролейбусів, трамваїв, метрополітену та залізниці.

Такі проводи ізольовані від землі за допомогою фарфорових, скляних та інших ізоляторів, до яких вони кріпляться, а відстань між неізольованими проводами залежить від напруги, що передається.

На сьогоднішній день найпоширенішим матеріалом для повітряних провідників є алюміній (звичайний або армований сталлю чи композитними матеріалами). Алюміній замінив популярну в минулому мідь через набагато нижчу вартість і меншу вагу порівняно з мідним провідником такого ж опору. Менша вага дозволила знизити навантаження на опори електромереж та збільшити відстань прольотів між ними, і відповідно, зменшити витрати та час на будівництво. Крім того нині мідь вважається дефіцитним металом і тому в якості матеріалу для протяжних повітряних ліній електропередачі практично не застосовується, а використовується переважно для розподілу середньої напруги, у контактній мережі для низьковольтних з’єднань із приміщеннями споживачів та для заземлення.

Алюміній характеризується хорошою провідністю, малою вагою, низькою вартістю, стійкістю до корозії та атмосферних впливів. І саме цей метал сьогодні відповідає за передачу електроенергії на тисячі кілометрів у різних країнах світу. При цьому він має меншу гнучкість і доволі малу стійкість до механічних навантажень, що перешкоджає значному натягуванню алюмінієвих проводів і не дозволяє повністю використати їх невелику вагу для збільшення прольоту лінії, і відповідно, суттєвого здешевлення.

Для підвищення механічної міцності та збільшення гнучкості алюмінієві проводи виготовляють переважно багатодротовими із твердотянутих дротів, а щоб уникнути значного їх провисання – зменшують відстань між опорами, що у свою чергу призводить до здорожчання лінії. Тому повністю алюмінієві проводи (А) використовують переважно у сільській місцевості та місцевих мережах з короткими прольотами напругою до 35 кВ. А у разі прокладання поблизу морських узбережь, солоних озер і хімічних підприємств, алюмінієві провідники захищають від корозії заповнюючи міждротяний простір нейтральним мастилом.

У місцях де необхідна більша несуча здатність використовують проводи з алюмінієвого сплаву. В даний час найбільше застосування знайшли сталеалюмінієві проводи (АС). Вони місять суцільний або багатожильний сталевий сердечник поверх якого накладаються один або декілька спіральних витків алюмінієвого дроту. Алюмінієва частина проводу відповідає за передачу струму, а сталевий дріт додає міцності конструкції, допомагаючи витримувати вагу провідника і дозволяє застосовувати підвищене натягування. Сталь також менше піддається деформації під впливом механічних чинників, наприклад вітру чи льоду, та має нижчий коефіцієнт теплового розширення, дозволяючи проводу зберігати початкову форму при нагріванні та інших навантаженнях і значно менше провисати, ніж повністю алюмінієві провідники. Сталеалюмінієві проводи доступні в широкому діапазоні вмісту сталі – від 6% до 40%. Проводи з більшим вмістом сталі використовуються там, де потрібна вища механічна міцність: для великих прольотів при перетині річок або інженерних споруд, а також у місцях де товщина шару ожеледиці перевищує 20 мм. А проводи полегшеної конструкції застосовують в районах, де товщина шару ожеледиці менша 20 мм.

Розрізняють кілька різновидів сталеалюмінієвих проводів: вони можуть бути виконані з сердечником зі сталевих оцинкованих дротів (АСАС), сердечником, ізольованим поліетиленовою плівкою (АСК), з заповненням сталевого сердечника (АСКС) або усіх міждротових частин проводу (АСКП) нагрівостійким мастилом, що протистоїть корозії і дозволяє використовувати такі модифікації для прокладання на узбережжі морів, солоних озер та у промислових районах із забрудненим повітрям. А наявність літери «п» у маркуванні позначає провід підвищеної механічної міцності.

Для покращення якісних характеристик алюмінію до його складу також нерідко вводять кремній, магній та залізо, отримуючи алюмінієвий сплав, що характеризується великою механічною міцністю і корозійною стійкістю та дозволяє застосовувати провід у більш екстремальних умовах, ніж провід без домішок.

Існує також алюмінієвий провід з композитним сердечником з вуглецевого волокна. Він суттєво легший і міцніший у порівнянні зі сталеалюмінієвим та має значно нижчий коефіцієнт теплового розширення. Це дозволяє проводу працювати при значно вищій температурі без надмірного провисання, збільшує робочу температуру до 180°C та провідність приблизно на 30%. А також дозволяє використовувати при конструкції виробу на 28% більше алюмінію без збільшення діаметра та загальної ваги проводу, що забезпечує менші втрати енергії лінії приблизно на 25-40% у порівнянні з іншими провідниками такого ж діаметру та ваги. При усіх своїх перевагах, такий провід, порівняно з сталеалюмінієвим, має доволі високу вартість, меншу осьову жорсткість, а тому більше провисає під навантаженням льоду, схильний до пошкодження поверхні, має мінімальний радіус вигину, що вимагає особливої обережності під час монтажу, а також потребує використання спеціальної арматури та обладнання.

У минулому столітті на окремих лініях у якості провідників також використовувалися оцинкована сталь, залізо, бронза та сталебронза. Їх застосовували у випадках коли необхідно було поєднати високу механічну міцність з гарною електропровідністю. Проте зараз такі вироби використовуються доволі рідко. Приміром, повністю сталеві проводи, попри свою високу механічну міцність, мають значну вагу, схильні до корозії і не підходять для ефективної передачі електроенергії через низьку провідність і високий опір сталі, а залізні – схильні до корозіїі і теж характеризуються великою вагою. Тому застосовуються зазначені провідники при передачі невеликих потужностей на короткі відстані у місцевих мережах напругою до 10 кВ або при перетині лініями електропередачі водних просторів чи урвищ.

Бронзові та сталебронзові проводи призначені для ліній електропередачі, де провідники мають відзначатися високою механічною міцністю й електропровідністю, наприклад на ділянках зі збільшеною відстанню між опорами при переходах через річки, яри та інші перешкоди. При цьому їх застосування порівняно зі сталеалюмінієвими проводами вважається мало виправданим, оскільки маса бронзового дроту приблизно в 3,3 рази більше алюмінієвого, а питомий електричний опір менший лише у 1,4 рази порівняно з алюмінієвим. Лінії електропередачі, що використовують перераховані метали, піддаються значному навантаженню, а тому потребують застосування особливих технологій для їх розміщення.

Тож, з огляду на усе вищезазначене, найбільш поширеними неізольованими проводами для повітряних ліній електропередачі в даний час є сталеалюмінієві проводи.

Самонесучі ізольовані проводи

Прискорені темпи електрифікації у ХХ столітті з одного боку та простота виготовлення «голих» проводів з іншого привели до цілковитого панування неізольованих провідників у повітряних лініях електропередачі. Проте в процесі експлуатації виявилися їх слабкі сторони: сильні пориви вітру призводили до перехрещування проводів та коротких замикань, мокрий сніг та льодова кірка, налипаючи на провідники нерідко спричиняли їх обрив та небезпеку ураження електричним струмом і у підсумку часто залишали споживачів без світла та наражали на небезпеку. З огляду на це постала потреба у розробці нових рішень з досконалішими технічними характеристиками та вищим рівнем безпеки.

Таким рішенням стали самонесучі ізольовані проводи (СІП). Вперше вони з’явилися у Франції та Фінляндії у 50-х – 60-х років ХХ ст. Французькі і фінські розробки запропонували систему, що складається з трьох ізольованих фазних провідників, скручених в єдиний джгут та одного несучого нейтрального провідника з ізоляцією виконаною з поліетилену низької щільності (LDPE) або зшитого поліетилену (XLPE). Відмінність між цими системами полягає в тому, що фінська конструкція містить неізольований несучий нейтральний провідник, а у французькій версії нульовий провід ізольований так само як усі фазні провідники. Обидві конструкції самонесучих проводів знайшли широке застосування у різних країнах світу і у вітчизняній класифікації отримали назву СІП-1 та СІП-2.

Ізольовані фазні жили СІП-1 виготовлені з алюмінію та скручені навколо нейтралі, а сама несуча нейтраль без ізоляції виконана з алюмінію або його сплаву зі сталевим сердечником та служить для підвіски джгута і несе на собі все навантаження від натягу і механічної дії зовнішніх факторів.

Конструкція СІП-2 відрізняється наявністю ізоляції на нульовому дроті, що запобігає корозії і дозволяє використовувати провід у тропічному кліматі, прибережних морських районах та хімічно активних середовищах. Водночас це призводить до великого навантаження на ізоляцію нульового провідника і для його мінімізації при прокладанні трас зазвичай вдаються до зменшення анкерних прольотів.

У 80-х роках ХХ ст. у Німеччині та Швеції було розроблено іншу конструкцію СІП, що теж використовувала ізольовані та скручені в джгут три фазні і один нейтральний провідник, але без виділення несучого елемента. Система стала відомою під назвою СІП-4. Усі її чотири провідника однаково навантажені під напругою й виконують несучу функцію, а ізоляція виконана за допомогою термопластичного світлостабілізованого поліетилену.

Такий же провід, але ізольований за допомогою зшитого світлостабілізованого поліетилену отримав назву СІП-5. Вказаний ізоляційний матеріал має підвищену стійкість до низьких температур, високу температуру плавлення та дозволяє підвищити робочу температуру проводу до 30%.

У магістралях і відгалуженнях до споживачів рекомендується використовувати проводи з нейтральними носіями. А СІП-4 та СІП-5 застосовують для створення відгалужень до житлових будинків і прокладання вздовж фасадів та стін.

Останнім конструктивним виконанням проводів СІП є самонесучий високовольтний провід СІП-3. На відміну від вищевказаних марок, цей провід застосовується у мережах номінальною напругою 20 кВ та 35 кВ та є одножильним. В центрі його конструкції знаходиться сталевий несучий дріт оточений струмопровідними алюмінієвими жилами, а ізоляція виконана зі зшитого поліетилену.

Як бачимо, проводи СІП мають 5 типів конструктивного виконання і кожен з них знайшов активне застосування у всіх країнах світу.

Експлуатація СІП швидко показала, що нові системи за технічними характеристиками у кілька разів перевершують традиційні повітряні лінії електропередачі і при цьому збільшують затрати на виробництво не більше ніж на 20%. Нині самонесучі ізольовані проводи поступово заміняють традиційні «голі» провідники у повітряних лініях електропередачі напругою 0,6/1,0 кВ та 20/35 кВ і застосовуються для передачі електроенергії як у магістральних повітряних лініях, так і у відгалуженнях до вводів у будівлі та господарські споруди.

Переваги СІП

Серед беззаперечних переваг СІП варто відзначити наступні.

Легкість і простота їх монтажу, що не вимагає важкої техніки, складного обладнання, використання ізоляторів та дорогих траверсів, встановлення нових опор та вирубування широкої просіки. Виконується в короткі терміни і потребує менше кріплень. Проводи СІП можна використовувати на менших відстанях від лінії електропередачі до споруди та кріпити до фасадів будинків.

Безпечна експлуатація та зниження ризику ураження електричним струмом. Усі струмопровідні частини проводів СІП є ізольованими, а тому будь-який випадковий контакт з ними не становить загрози життю та здоров’ю людей. Спеціальна арматура забезпечує можливість монтажу і проведення технічних робіт з СІП під напругою без відключення лінії та енергопостачання для споживачів і при цьому гарантує безпеку персоналу.

У разі аварії на лінії (обриву проводів чи руйнуванні зчіпної арматури) площа неізольованих ділянок проводу, що знаходяться під напругою буде мінімальною, а отже, і вірогідність ураження електричним струмом теж буде в рази меншою. Досвід країн, що вже широко використовують СІП, показав, що масове впровадження ізольованих повітряних ліній призводить до суттєвого зниження нещасних випадків спричинених ураженням електричним струмом.

Надійність та високий рівень пожежної безпеки. Наявність ізоляції створює захист від короткого замикання при контакті між проводами та забезпечує відсутність іскріння через падіння на лінію сторонніх предметів, а відтак сприяє зменшенню загальної кількості аварійних відключень та підвищує рівень пожежної безпеки.

Низькі витрати на обслуговування. Використання проводів СІП виключає більшість поломок і аварій характерних для неізольованих ліній (короткі замикання, обрив проводів тощо), а також усувають необхідність проведення періодичної підтяжки проводів, заміни ізоляторів, обрізання гілок дерев. Лінії СІП мають значно вищу механічну стійність, що мінімізує вірогідність обриву та дозволяє їм витримувати більші навантаження під час обмерзання, стихійних лих, сильних вітрів, падіння дерев та аварій на транспорті.

Краща стійкість до погодних умов: вітрових навантажень, ожеледиці та сонячної радіації. Поверхня поліетилену значно менш схильна до налипання мокрого снігу та забезпечує здатність безперебійної роботи СІП навіть в агресивних кліматичних і хімічних умовах.

Можливість паралельного прокладання СІП з іншими проводами.

Економічна ефективність завдяки мінімізації крадіжок електроенергії через незаконні підключення. І хоч самонесучі проводи не забезпечують 100% захисту від несанкціонованих підключень, проте саме вони в усьому світі визнані як оптимальний компроміс між вартістю та захищеністю, що при застосуванні мінімальних заходів контролю, дозволяє значно скоротити число незаконних підключень.

Зменшення енерговтрат лінії, що забезпечується низьким рівнем реактивного опору ізольованого провідника. Нині лінії електропередачі в Україні часто залишаються на радянському рівні і ніхто точно не знає скільки втрачається енергії в результаті витоків в зношених ізоляторах, у разі контакту неізольованих проводів з гілками дерев чи на нагрів в місцях з’єднання дротів. Наявність ізоляції у проводах СІП виключає усі ці втрати, підвісна арматура створює додаткову ізоляцію між пучком дротів і конструкціями опор, а використання якісної сполучної арматури гарантує стабільність електричних з’єднань впродовж усього терміну служби лінії.

Довговічність. Завдяки наявності ізоляційного покриття жил, СІП мають високу корозійну та механічну зносостійкість, а термін їх служби становить не менше 40 років.

Естетичність. Лінії електропередачі виконані СІП виглядають значно привабливіше, ніж застарілі оголені проводи, що особливо помітно в умовах міської забудови.

Антивандальність. Самонесучі ізольовані проводи не піддаються вторинній переробці, а тому їх майже не зрізають з метою наживи.

Усі ці переваги дозволяють заощадити до 80% трудових і матеріальних витрат пов’язаних з монтажем, експлуатацією та обслуговуванням ізольованих ліній електропередачі та кардинально скоротити кількість обслуговуючого персоналу. Самонесучі проводи забезпечують надійність і безперебійне енергозабезпечення споживачів та приблизно в 3 рази знижують втрати енергії порівняно зі звичайними проводами на ізоляторах. За показниками надійності та захищеності від аварій ізольовані повітряні лінії часто прирівнюють до кабельних, при цьому затрати на їх будівництво залишаються значно меншими ніж при прокладенні кабелів. А тому планова заміна неізольованих проводів на СІП залишається пріоритетним напрямком модернізації існуючих повітряних ліній електропередачі, що при комплексному та кваліфікованому підході дозволить перетворити зазначені переваги самонесучих ізольованих проводів в істотну економію коштів.