Провода для воздушных линий электропередачи

Электрические провода для воздушных линий электропередачи являются одним из важнейших компонентов ЛЭП. Они служат для передачи электрического тока и должны обладать высокой электропроводностью и механической прочностью, чтобы противостоять атмосферным воздействиям и имеющимся в воздухе вредным примесям.

Провода для воздушных линий электропередачи делятся на два класса: неизолированные и изолированные. Они могут быть выполнены из одного или двух видов металла в виде многопроволочных или однопроволочных проводников. Однопроволочные провода обычно изготавливают из алюминия, меди или стали небольших сечений и применяют только для строительства трасс низкого напряжения. Многопроволочные провода выполняют из алюминия, стали, бронзы, меди и сплавов на основе алюминия и меди. Их скручивают из нескольких проволок (иногда даже десятков проволок), одна из которых основная, а вокруг нее скручиваются все последующие витки. Причем каждый последующий виток проволоки накручивается в противоположном направлении. Такая конструкция обеспечивает многопроволочным проводам значительно большую гибкость, более длительный срок эксплуатации и позволяет использовать их для устройства воздушных сетей электропередачи.

Неизолированные «голые» провода

Неизолированные провода предназначены в основном для воздушных линий электропередачи, а также для антенных устройств и электрификации энергозависимого транспорта: троллейбусов, трамваев, метрополитена и железной дороги.

Такие провода изолированы от земли с помощью фарфоровых, стеклянных и других изоляторов, к которым они крепятся, а расстояние между неизолированными проводами зависит от передаваемого напряжения.

На сегодняшний день наиболее распространенным материалом для воздушных проводников является алюминий (обычный или же армированный сталью или композитными материалами). Алюминий заменил популярную в прошлом медь из-за гораздо более низкой стоимости и меньшего веса по сравнению с медным проводником такого же сопротивления. Меньший вес позволил снизить нагрузку на опоры электросетей и увеличить расстояние пролетов между ними, и соответственно уменьшить затраты и время на строительство. Кроме того, медь считается дефицитным металлом и поэтому в качестве материала для протяженных воздушных линий электропередачи практически не применяется, а используются преимущественно для распределения среднего напряжения, в контактной сети для низковольтных соединений с помещениями потребителей и для заземления.

Алюминий характеризуется хорошей проводимостью, малым весом, низкой стоимостью, стойкостью к коррозии и атмосферным воздействиям. И именно этот металл сегодня отвечает за передачу электроэнергии на тысячи километров в разных странах мира. При этом он имеет меньшую гибкость и достаточно малую устойчивость к механическим нагрузкам, что препятствует значительному натяжению алюминиевых проводов и не позволяет полностью использовать их небольшой вес для увеличения пролета линии и соответственно существенного удешевления.

Для повышения механической прочности и увеличения гибкости алюминиевые провода изготавливают в основном многопроволочными из твердотянутых проводов, а во избежание значительного их провисания уменьшают расстояние между опорами, что в свою очередь приводит к удорожанию линии. Поэтому полностью алюминиевые провода (А) используются преимущественно в сельской местности и местных сетях с короткими пролетами напряжением до 35 кВ. А в случае прокладки возле морских побережий, соленых озер и химических предприятий, алюминиевые проводники защищают от коррозии заполняя междупроволочное пространство нейтральной смазкой.

В местах, где необходима большая несущая способность, используют провода из алюминиевого сплава. В настоящее время наибольшее применение снискали сталеалюминиевые провода (АС). Они сконструированы с использованием сплошного или многожильного стального сердечника поверх которого накладываются один или несколько спиральных витков алюминиевой проволоки. Алюминиевая часть провода отвечает за передачу тока, а стальная проволока придает прочности конструкции, помогая выдерживать вес проводника и позволяя применять повышенное натяжение. Сталь также меньше подвержена деформации под влиянием механических факторов, например ветра или льда, и имеет более низкий коэффициент теплового расширения, позволяя проводу сохранять изначальную форму при нагревании и других нагрузках и, в сравнении с алюминиевыми проводниками, значительно меньше провисать. Сталеалюминиевые провода доступны в широком диапазоне содержимого стали – от 6% до 40%. Провода с большим содержанием стали используются там, где требуется более высокая механическая прочность: для больших пролетов при пересечении рек или инженерных сооружений, а также в местах, где толщина слоя намерзания льда превышает 20 мм. Провода облегченной конструкции применяют в районах, где толщина слоя льда меньше 20 мм.

Различают несколько разновидностей сталеалюминиевых проводов: они могут быть выполнены с сердечником из стальных оцинкованных проволок (АСАС), сердечником, изолированным полиэтиленовой пленкой (АСК), с заполнением стального сердечника (АСКС) или всех межпроволочных частей провода (АСКП) нагревоустойчивой смазкой, противостоящей коррозии и позволяющей использовать такие модификации для прокладки на побережье морей, соленых озер и в промышленных районах с загрязненным воздухом. А наличие буквы «п» в маркировке обозначает провод повышенной механической прочности.

Для улучшения качественных характеристик алюминия в его состав также часто вводят кремний, магний и железо, получая алюминиевый сплав, характеризующийся большой механической прочностью и коррозионной стойкостью, позволяющими применять провод в более экстремальных условиях, чем провод без примесей.

Существует также алюминиевый провод с композитным сердечником из углеродного волокна. Он существенно легче и прочнее в сравнении со сталеалюминиевым и имеет значительно более низкий коэффициент теплового расширения. Это позволяет проводу работать при значительно более высокой температуре без чрезмерного провисания, увеличивает рабочую температуру до 180°C и проводимость примерно на 30%. А также позволяет использовать при конструкции изделия на 28% больше алюминия без увеличения диаметра и общего веса провода, что обеспечивает меньшие потери энергии линии примерно на 25-40% по сравнению с другими проводниками такого же диаметра и веса. При всех своих преимуществах такой провод по сравнению со сталеалюминиевым имеет достаточно высокую стоимость, меньшую осевую жесткость (а потому больше провисает под нагрузкой льда), склонен к повреждению поверхности, имеет минимальный радиус изгиба (требуя особой осторожности во время монтажа), а также нуждается в использовании специальной арматуры и оборудования.

В прошлом веке на отдельных линиях в качестве проводников также использовались оцинкованная сталь, железо, бронза и сталебронза. Их применяли в ситуациях, когда необходимо было сочетать высокую механическую прочность с хорошей электропроводностью. Однако сейчас такие изделия используются довольно редко. К примеру, полностью стальные провода, несмотря на свою высокую механическую прочность, имеют значительный вес, подвержены коррозии и не подходят для эффективной передачи электроэнергии через низкую проводимость и высокое сопротивление стали, а железные – подвержены коррозии и тоже характеризуются большим весом. Поэтому применяются указанные проводники при передаче небольших мощностей на короткие расстояния в сетях напряжением до 10 кВ или при пересечении линиями электропередачи водных пространств или больших оврагов.

Бронзовые и сталебронзовые провода предназначены для линий электропередачи, где проводники должны отличаться высокой механической прочностью и электропроводностью, например, на участках с увеличенным расстоянием между опорами при переходах через реки, овраги и другие препятствия. При этом их применение по сравнению со сталеалюминиевыми проводами считается малооправданным, поскольку масса бронзовой проволоки примерно в 3,3 раза больше алюминиевой, а удельное электрическое сопротивление меньше лишь в 1,4 раза. Линии электропередачи, использующие перечисленные металлы, подвергаются значительной нагрузке, поэтому требуют применения особых технологий для их размещения.

Учитывая все вышеперечисленное, наиболее распространенными неизолированными проводами для воздушных линий электропередачи в настоящее время являются сталеалюминиевые провода, с помощью которых выполнено абсолютное большинство ВЛ нашей страны.

Самонесущие изолированные провода

Ускоренные темпы электрификации в ХХ веке с одной стороны и простота изготовления «голых» проводов с другой привели к полному господству неизолированных проводников в воздушных линиях электропередачи. Однако в процессе эксплуатации проявились их слабые стороны: сильные порывы ветра приводили к схлестыванию проводов и коротким замыканиям, мокрый снег и ледовая корка, налипая на проводники нередко приводили к их обрыву и опасности поражения электрическим током, и в итоге часто оставляли потребителей без света. В связи с этим возникла необходимость в разработке новых решений с более совершенными техническими характеристиками и более высоким уровнем безопасности.

Таким решением стали самонесущие изолированные провода (СИП). Впервые они появились во Франции и Финляндии в 50-х – 60-х годах ХХ ст. Французские и финские разработчики предложили систему, состоящую из трех изолированных фазных проводников, скрученных в единый жгут, и одного несущего нейтрального проводника с изоляцией выполненной из полиэтилена низкой плотности (LDPE) или сшитого полиэтилена (XLPE). Различие между этими системами состоит в том, что финская конструкция содержит неизолированный несущий нейтральный проводник, а во французском варианте нулевой провод изолирован так же, как все фазные проводники. Обе конструкции самонесущих проводов нашли широкое применение в разных странах мира и в отечественной классификации получили название СИП-1 и СИП-2.

Изолированные фазные жилы СИП-1 изготовлены из алюминия и скручены вокруг нейтрали, а сама несущая нейтраль без изоляции выполнена из алюминия или его сплава со стальным сердечником и используется для подвески жгута, а также несет на себе всю нагрузку от натяжения и механического действия внешних факторов.

Конструкция СИП-2 отличается наличием изоляции на нулевом проводнике, что предотвращает коррозию и позволяет использовать провод в тропическом климате, прибрежных морских районах и химически активных средах. В то же время это приводит к большой нагрузке на изоляцию нулевого проводника и для ее минимизации при прокладке трасс обычно прибегают к уменьшению анкерных пролетов.

В 80-х годах ХХ ст. в Германии и Швеции была разработана другая конструкция СИП, которая тоже использовала изолированные и скрученные в жгут три фазных и один нейтральный проводник, но без выделения несущего элемента. Система стала известна под названием СИП-4. Все ее четыре проводника одинаково нагружены под напряжением и выполняют несущую функцию, а изоляция выполнена с помощью термопластического светостабилизированного полиэтилена.

Такой же провод, но изолированный с помощью сшитого светостабилизированного полиэтилена получил название СИП-5. Указанный изоляционный материал обладает повышенной стойкостью к низким температурам, высокой температурой плавления и позволяет повысить рабочую температуру провода до 30%.

В магистралях и ответвлениях к потребителям рекомендуется использовать провода с нейтральными носителями. А СИП-4 и СИП-5 применяют для создания ответвлений в жилые дома и прокладки вдоль фасадов и стен.

Последним конструктивным исполнением проводов СИП является самонесущий высоковольтный провод СИП-3. В отличие от вышеуказанных марок, этот провод применяется в сетях номинальным напряжением 20 кВ и 35 кВ и является одножильным. В центре его конструкции находится стальная несущая проволока, окруженная токопроводящими алюминиевыми жилами, а изоляция выполнена из сшитого полиэтилена.

Как видим, провода СИП имеют 5 типов конструктивного исполнения, каждый из которых нашел активное применение во разных странах мира.

Эксплуатация СИП быстро показала, что новые системы по техническим характеристикам в несколько раз превосходят традиционные воздушные линии электропередачи при этом увеличивая затраты на производство не более чем на 20%. В настоящее время самонесущие изолированные провода постепенно заменяют традиционные голые проводники в воздушных линиях электропередачи напряжением 0,6/1,0 кВ и 20/35 кВ и применяются для передачи электроэнергии как в магистральных воздушных линиях, так и в ответвлениях к вводам в здания и хозяйственные. постройки.

Преимущества СИП

Среди неоспоримых преимуществ СИП следует отметить следующие.

Легкость и простота их монтажа, не требующая тяжелой техники, сложного оборудования, использования изоляторов и дорогих траверсов, установки новых опор и вырубки широкой просеки. Выполняется в короткие сроки и требует меньше креплений. Провода СИП можно использовать на меньших расстояниях от линии электропередачи до сооружения и крепить к фасадам домов.

Безопасная эксплуатация и снижение риска поражения электрическим током. Все токопроводящие части проводов СИП изолированы, поэтому любой случайный контакт с ними не представляет угрозы жизни и здоровью людей. Специальная арматура обеспечивает возможность монтажа и проведения технических работ с СИП под напряжением без отключения линии и энергоснабжения потребителей и при этом гарантирует безопасность персонала.

В случае аварии на линии (обрыва проводов или повреждения сцепной арматуры) площадь неизолированных участков провода, находящихся под напряжением, будет минимальной, а следовательно, и вероятность поражения электрическим током тоже будет в разы меньше. Опыт стран, уже широко использующих СИП, показал, что массовое внедрение изолированных воздушных линий приводит к существенному снижению несчастных случаев, вызванных поражением электрическим током.

Надежность и высокий уровень пожаробезопасности. Наличие изоляции создает защиту от короткого замыкания при контакте между проводами и обеспечивает отсутствие искрения вследствие падения на линию посторонних предметов, и соответственно способствует уменьшению общего количества аварийных отключений и повышает уровень пожарной безопасности.

Низкие расходы на обслуживание. Использование проводов СИП исключает большинство поломок и аварий характерных для неизолированных линий (короткие замыкания, обрыв проводов и т.п.), а также устраняет необходимость периодической подтяжки проводов, замены изоляторов, обрезания веток деревьев. Линии СИП обладают значительно более высокой механической устойчивостью, что минимизирует вероятность обрывов и позволяет им выдерживать большие нагрузки во время обледенения, стихийных бедствий, сильных ветров, падения деревьев и аварий на транспорте.

Лучшая устойчивость к погодным условиям: ветровым нагрузкам, обледенению и солнечной радиации. Поверхность полиэтилена значительно менее подвержена налипанию мокрого снега и обеспечивает бесперебойную работу СИП даже в агрессивных климатических и химических условиях.

Возможность параллельной прокладки СИП с другими проводами.

Экономическая эффективность благодаря минимизации краж электроэнергии из-за незаконных подключений. И хотя самонесущие провода не обеспечивают 100% защиты от несанкционированных подключений, однако именно они во всем мире признаны как оптимальный компромисс между стоимостью и защищенностью, что при применении минимальных мер контроля позволяет значительно сократить число незаконных подключений.

Уменьшение энергопотерь линии, обеспечиваемое низким уровнем реактивного сопротивления изолированного проводника. К сожалению, линии электропередачи в нашей стране часто остаются на советском уровне и никто точно не знает, сколько энергии теряется в результате утечек в изношенных изоляторах, в случае контакта неизолированных проводов с ветками деревьев или тратится на нагрев в местах соединения проводов. Наличие изоляции в проводах СИП исключает эти потери, подвесная арматура создает дополнительную изоляцию между пучком проводов и конструкциями опор, а использование качественной соединительной арматуры гарантирует стабильность электрических соединений на протяжении всего срока службы линии.

Долговечность. Благодаря наличию изоляционного покрытия жил, СИП обладают высокой коррозионной и механической износостойкостью, а срок их службы составляет не менее 40 лет.

Эстетичность. Линии электропередачи, выполненные СИП, выглядят значительно более привлекательно, чем устаревшие оголенные провода, что особенно заметно в условиях городской застройки.

Антивандальность. Самонесущие изолированные провода не подвергаются вторичной переработке, поэтому их почти не срезают с целью наживы.

Все эти преимущества позволяют сэкономить до 80% трудовых и материальных затрат, связанных с монтажом, эксплуатацией и обслуживанием изолированных линий электропередачи, а также кардинально сократить количество обслуживающего персонала. Самонесущие провода обеспечивают надежность и бесперебойное энергообеспечение потребителей и примерно в 3 раза снижают потери энергии по сравнению с обычными проводами на изоляторах. По показателям надежности и защищенности от аварий изолированные воздушные линии часто приравнивают к кабельным, при этом затраты на их строительство остаются значительно меньшими, чем при прокладке кабелей. Поэтому плановая замена неизолированных проводов на СИП остается приоритетным направлением модернизации существующих воздушных линий электропередачи, что при комплексном и квалифицированном подходе позволит превратить указанные преимущества самонесущих изолированных проводов в существенную экономию средств.