Havai Elektrik Kablosu: Çeşitleri, Seçimi ve Kurulumu

Doğruyu seçmek havai elektrik kablosu bir iletim veya dağıtım hattı için birbirine bağlı üç değişkenin dengelenmesi gerekir: Maksimum çalışma sıcaklığında sürekli akım taşıma kapasitesi, mekanik çekme mukavemeti ve uzun süreli sarkma davranışı . Çoğu orta ve yüksek voltaj uygulaması için, çelik takviyeli alüminyum iletken (ACSR) varsayılan seçim olmaya devam ediyor çünkü galvanizli çelik çekirdek toplam gerilimin yaklaşık %55 ila %65'ini taşırken alüminyum teller akımı taşıyor; bu, hiçbir homojen iletkenin eşdeğer maliyetle karşılayamayacağı bir işlev ayrımıdır.

İletken türleri ve malzeme bileşimi

Havai elektrik kabloları, iletkenin malzemesine ve örgü konfigürasyonuna göre sınıflandırılır. Her biri farklı açıklık uzunluklarına ve çevre koşullarına uygun olan üç ana çıplak iletken ailesi pazara hakimdir.

ACSR veya Alüminyum İletkenli Çelik Takviyeli, bir veya daha fazla sert çekilmiş 1350-H19 alüminyum şerit katmanıyla çevrelenen eşmerkezli telli çelik çekirdekten oluşur. Çeşitli mukavemet derecelerinde mevcut olan çelik çekirdek, çekme omurgasını sağlarken, alüminyum katmanlar akımı 0,50 iletkenlik ile taşır. %61,2 IACS (Uluslararası Tavlanmış Bakır Standardı). 26/7 bükümlü ve 28,14 mm genel çapa sahip tipik bir ACSR "Drake" iletkeni, 140 kN ve 75°C'de yaklaşık 907 amp sürekli kapasite ılımlı rüzgar koşulları altında.

Tamamen alüminyum alaşımlı iletken olan AAAC, 6201-T81 alüminyum alaşımlı tellerin homojen bir örgüsünü kullanır. Bu alaşım, 1350-H19 elektrik iletkeni alüminyumun kabaca iki katı gerilme mukavemeti elde etmek için magnezyum ve silikon içerir ve çelik çekirdeğe olan ihtiyacı ortadan kaldırır. AAAC iletkenleri, özellikle havadaki klorürlerin veya kükürt bileşiklerinin bulunduğu kıyı veya endüstriyel ortamlarda, çelik çekirdeğin korozyonunun endişe verici olduğu yerlerde belirtilir. Manyetik çelik çekirdeğin bulunmaması aynı zamanda histerezis ve girdap akımı kayıplarını da ortadan kaldırarak AC direncini yaklaşık olarak azaltır. Eşdeğer çaplı bir ACSR'ye kıyasla %3 ila %5 aynı yük akımı altında.

Tamamen 1350-H19 tellerden yapılmış tamamen alüminyum iletken AAC, birim ağırlık başına en yüksek iletkenliği ancak en düşük çekme mukavemetini sunar. Kullanımı, açıklığın nadiren 50 metreyi aştığı ve iletkenin yüksek buz veya rüzgar yüklerine dayanmasının gerekli olmadığı kentsel dağıtım ağlarındaki kısa açıklıklar ve trafo merkezleri içindeki bara damlalıkları ile sınırlıdır.

Standart iletken türlerinin karşılaştırmalı performansı

Kapasite ve termal derecelendirme temelleri

Havai elektrik kablosunun kapasitesi sabit bir sayı değil, dirençli kayıplar (I²R ısıtma), iletken yüzey tarafından emilen güneş ışınımı, rüzgardan konvektif soğutma ve gökyüzüne ışınımsal ısı kaybı arasındaki ısı dengesinin bir fonksiyonudur. IEEE 738 standardı bu dengeyi yöneten kararlı durum termal denklemini tanımlar. Tam güneş, 0,6 m/s'lik düşük rüzgar hızı ve 40°C'lik ortam sıcaklığı gibi en kötü durum varsayımları altında, belirli bir iletkenin kapasitesi şu şekilde olabilir: %25 ila %35 daha düşük ılımlı bahar koşulları için yayınlanan değerden daha fazladır.

İletken çalışma sıcaklığı sarkmayı kontrol eden bağımsız değişkendir. Standart ACSR iletkenleri sürekli çalışma için derecelendirilmiştir 75°C, 90°C veya 100°C Acil veya kısa süreli pik yük koşulları için daha yüksek sıcaklıklara izin verilir. 93°C'nin üzerinde alüminyum şeritler tavlanmaya başlar ve çekme mukavemetleri kalıcı olarak azalır. ACSS, G(Z)TACSR ve ACCR gibi yüksek sıcaklıkta düşük sarkma (HTLS) iletkenleri, sürekli olarak aynı sıcaklıkta çalışmak için tamamen tavlanmış alüminyum veya kompozit çekirdekler kullanır. 150°C ila 210°C , aynı geçiş hakkı dahilinde, daha uzun kulelere ihtiyaç duymadan geleneksel bir ACSR hattının kapasitesini kabaca iki katına çıkarır.

Sarkma gerilimi hesaplaması ve çekme uygulaması

İletken gerilimi ve sarkma arasındaki ilişki, 300 metreden kısa açıklıklar için kabul edilebilir hatayla parabolik bir yaklaşıma basitleştiren katener denklemi tarafından yönetilir. Tasarım süreci, çıkmaz yapılar arasındaki tüm gerilim bölümünün eşdeğer mekanik davranışını temsil eden ağırlıklı ortalama açıklık uzunluğu olan yönetici açıklık konseptiyle başlar. En düşük tel çekme sıcaklığındaki başlangıçtaki yüksüz gerilim, tipik olarak -20°C veya 0°F , coğrafi yükleme bölgesi için Ulusal Elektrik Güvenliği Kodu (NESC) tarafından belirlenen en şiddetli buz ve rüzgar yükü kombinasyonu altında iletken nominal kopma mukavemetinin %60'ını aşmayacak şekilde ayarlanmalıdır.

Tel çekme sadece iletkeni hedef gerilime çekip sıkıştırmak değildir. İletken, iletken bilinen tekdüze sıcaklıktayken, bir geçiş veya dijital sagometre ile açıklık boyunca gözlemlenerek ölçülen bir sarkma değerine kadar gerilmelidir. ACSR Drake'in 15°C sıcaklıkta rüzgar veya buz olmadan 300 metrelik bir açıklığı için hedef sarkma yaklaşık olarak 6,5 metre yaklaşık 17 kN'lik yatay gerilime karşılık gelir. Kırpıldıktan sonra iletken, tel yerleşimi ve metalurjik sünme yoluyla gevşer ve yaklaşık olarak iletken kaybeder. İlk 1000 saatlik hizmette başlangıç geriliminin %10 ila %15'i . Kordaj sarkması, %10 ila %12'lik bir aşırı gerilimi hedefleyerek bu sünmeyi öngörmelidir; bu daha sonra tasarımın son sarkmasına kadar gevşer.

Rüzgar titreşimi ve iletken sönümleme

Sabit bir laminer rüzgar, 1 ila 7 m/s arasındaki hızlarda bir havai kablo üzerinden geçtiğinde, rüzgar yönüne dik bir döngüsel kaldırma kuvvetine neden olan alternatif Kármán girdaplarını saçar. Bu rüzgar titreşimi, frekansları tipik olarak 3 ila 150Hz , iletkeni daha yüksek titreşim modlarından birinin doğal rezonans frekansında veya buna yakın bir frekansta salınmaya zorlar. Hareketin tamamen kısıtlandığı iletken askı kelepçesinde ortaya çıkan bükülme gerilimi, alüminyumun yaklaşık olarak yorulma dayanıklılık sınırını aşıyor. 57 MPa (8,3 ksi) Sabit rüzgar koşullarında birkaç gün içinde biriken on milyonlarca döngü içinde.

Azaltma için Stockbridge damperleri, spiral titreşim damperleri (resmi olarak köpek kemiği damperleri veya spiral biçimli damper elemanları olarak adlandırılır) veya demetlenmiş iletkenler üzerindeki aralayıcı damperler kullanılır. Düzgün ayarlanmış bir Stockbridge sönümleyici, baskın iletken frekansını tutan iki rezonans frekansına sahiptir ve haberci kablo tellerinin iç sürtünmesi yoluyla titreşim enerjisini emer. Damperin kelepçeden yerleştirme mesafesi keyfi değildir; iletkenin titreşim antinod genliğinin sönümleyiciyi harekete geçirmeye yeterli olduğu bir noktaya yerleştirilmelidir. ACSR Lynx iletkenli tipik bir 132 kV hat için ilk damper yerleştirilir Süspansiyon kelepçesi ağzından 0,8 ila 1,2 metre 400 metreyi aşan açıklıklarda 1,8 metrede ikinci bir amortisör bulunur.

Korona deşarjı ve elektromanyetik alan yönetimi

230 kV ve üzeri iletim gerilimlerinde, iletken yüzeyindeki elektrik alan eğimi, yaklaşık olarak havanın dielektrik kırılma dayanımına yaklaşır. Deniz seviyesinde 30 kV/cm . Kuru koşullar altında yüzey eğimi kabaca 17 kV/cm'yi aştığında korona deşarjı başlar ve duyulabilir gürültü, 0,5 ila 1,6 MHz bandında radyo girişimi (RI) ve güç kaybı üretir. Yüzey eğimi iletken yarıçapı ile ters orantılıdır; faz başına tek bir iletkenin çapı en az 230 kV için 24 mm ve 345 kV için 32 mm eğimi korona eşiğinin altında tutmak için.

Paketlenmiş iletkenler, faz akımını 30 ila 45 cm aralıklarla sert aralayıcılarla ayrılmış iki, üç veya dört alt iletken arasında bölerek bu sorunu çözer. 400 kV'ta 28 mm çaplı iletkenlerden oluşan ikiz bir demet, yaklaşık olarak eşdeğer bir çapa ulaşır. 180mm elektrik alanı dağılımı açısından, eşdeğer toplam kesit alanına sahip tek bir iletkenle karşılaştırıldığında yüzey eğimini kabaca üç kat azaltır. Ara parçası aralığı, elektrik alanı tekdüzeliği ile alt açıklık salınımına karşı mekanik stabilite arasındaki dengeyi optimize etmek için seçilmiştir; bu, rüzgar üstü iletkenin rüzgar altı iletkeni koruduğu ve eliptik kamçılama hareketlerini yönlendiren aerodinamik bir dengesizlik yarattığı bir olgudur.

İzolatör seçimi ve kaçak mesafe koordinasyonu

Havai iletken, mekanik olarak desteklenir ve süspansiyon veya gerilim izolatör dizileri ile elektriksel olarak izole edilir. İzolatörün kaçak mesafesi, yani yalıtkan yüzeyi boyunca enerji verilen uç bağlantısından topraklanmış uca kadar olan yol uzunluğu, kirli ıslak koşullar altında parlamayı önlemek için yeterli olmalıdır. Spesifik kaçak mesafesi, sistem faz-faz geriliminin kV'si başına kaçak mm cinsinden tanımlanır. Işık kirliliği olan alanlar için belirli bir sızıntı 16 mm/kV yeterlidir; ağır sanayi veya kıyı tuzu spreyi için, 31 mm/kV veya daha fazla Daha uzun ipler veya daha derin etekli sis tipi izolatörler kullanılarak elde edilir.

Silikon kauçuk muhafazalı kompozit polimer izolatörler, 138 kV ve altındaki yeni inşaatlar için büyük ölçüde porselen ve cam kapak ve pim dizilerinin yerini almıştır ve EHV seviyelerinde kabul görmektedir. Silikon kauçuğun hidrofobik yüzeyi, sürekli bir iletken film oluşturmak yerine suyun boncuklanmasına neden olur ve kaçak akımı bastırır. hidrofilik porselen yüzeye kıyasla 10 ila 100 arası bir faktör aynı kirlenme koşulları altında. Kompozit izolatörlerin birincil arıza modu, cam elyaf çekirdek çubuğunun asit saldırısı veya kusurlu uç bağlantı contasından su girişi nedeniyle kırılgan kırılmasıdır; bu, mekanik yükün sürekli izlenmesini ve mahfaza bütünlüğünün görsel olarak incelenmesini gerektiren bir mekanizmadır.

Birleştirme, sonlandırma ve donanım uyumluluğu

Havai hattın tamamı yalnızca bağlantıları ve uçları kadar güvenilirdir. Standart makara kapasitelerini aşan iletken uzunlukları için gerekli olan orta açıklıklı bağlantılar, en az İletkenin nominal kopma mukavemetinin %95'i ve eklemsiz iletkenin eşdeğer uzunluğunun %75'ini aşmayan bir elektrik direnci. Altıgen bir kalıp ve 700 bar (10.000 psi) kapasiteli bir hidrolik pres ile uygulanan sıkıştırma tipi tam gerilimli bağlantılar endüstri standardıdır. Bağlantı gövdesi, alüminyum şeritler üzerinde kayan bir alüminyum manşon ve çelik çekirdeği kavrayan ayrı bir çelik manşondan oluşur. İki kol bağımsız olarak döndürülür; önce çelik manşon, tam nominal gerilimi çekirdek boyunca aktarır, ardından akımı çelik bağlantının etrafında taşıyan alüminyum manşon gelir.

Bimetalik galvanik korozyon, alüminyum iletken tellerin bir elektrolit varlığında bakır alaşımlı donanıma temas ettiği her yerde meydana gelir. Bakıra anodik olan alüminyum, fedakar bir şekilde paslanır. Alüminyum iletken için tüm sıkıştırma konnektörleri ve kelepçe gövdeleri, bakırın alüminyuma doğrudan temasını önlemek için alüminyum alaşımdan yapılmalı veya tamamen kalay kaplı olmalıdır. Alüminyum havai hattın bakır baraya geçiş yaptığı trafo merkezi çıkmaz yapılarında, bimetalik sürtünme kaynaklı geçiş pabucu iki metali izole ederken hattın tam kısa devre akımına uygun düşük dirençli bir akım yolu sağlar.