Przewody elektroenergetyczne fazowe stosowane są do przesyłu energii elektrycznej w liniach napowietrznych m.in. nn, SN i WN. Na rynku dostępne są liczne rodzaje przewodów elektroenergetycznych, różniące się od siebie budową, parametrami elektrycznymi i mechanicznymi, co pozwala dobrać je odpowiednio do warunków, w jakich będą stosowane.
Przewody elektroenergetyczne – wymagania elektryczne i mechaniczne
Przewody elektroenergetyczne muszą spełniać różne wymagania, stawiane im w zależności od rodzaju linii, poziomu napięcia, przesyłanej mocy czy warunków terenowych i środowiskowych. Wymagania te można podzielić na dwie grupy: elektryczne i mechaniczne.
Pod względem wymagań elektrycznych, przewody elektroenergetyczne powinny charakteryzować się możliwie najmniejszą rezystancją. Wynika to z konieczności ograniczania spadków napięcia w sieci oraz strat przesyłowych.
Przewody elektroenergetyczne muszą również wyróżniać się odpowiednimi właściwościami mechanicznymi. Wynika to z faktu, że w napowietrznych liniach elektroenergetycznych przewody fazowe rozwieszane są pomiędzy słupami z określonym naciągiem, a co za tym idzie – właściwości mechaniczne wpływają na ich zachowanie w przęśle. Mając to na uwadze, do najważniejszych parametrów mechanicznych należy zaliczyć: współczynnik wydłużenia cieplnego, moduł elastyczności, znamionową wytrzymałość na rozciąganie (RTS), ciężar oraz średnicę.
Przewody elektroenergetyczne – z czego wynika wartość zwisu?
Przewody elektroenergetyczne w przęsłach zachowują się w różny sposób, w zależności od warunków. Zachowanie to można opisać matematycznie poprzez tzw. równanie stanu, gdzie:
a – rozpiętość przęsła; g – ciężar objętościowy przewodu; E – współczynnik sprężystości; σ – naprężenie początkowe; σ’ – naprężenie końcowe; T – temperatura początkowa; T’ – temperatura końcowa; α – współczynnik wydłużenia cieplnego; f – zwis przewodu.
W wyniku obliczeń można uzyskać wartość zwisu, jaką uzyskają przewody elektroenergetyczne w zadanym przęśle, dla określonej temperatury i naprężenia przewodu. Zwis przewodu jest z kolei jednym z kluczowych czynników jakie należy wziąć pod uwagę na etapie projektowania linii, w celu zapewnienia wymaganych przez normy odległości elektrycznych przewodu do ziemi i obiektów krzyżowanych.
Czytaj też: Słupy energetyczne w liniach napowietrznych nn, SN i WNBudowa przewodów elektroenergetycznych
Przewody elektroenergetyczne zbudowane są najczęściej z warstwy przewodzącej prąd elektryczny, wykonanej z drutów aluminiowych lub aluminiowych stopowych, a także z rdzenia, zazwyczaj w postaci drutów stalowych. Rolą rdzenia jest zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej całego przewodu. Druty aluminiowe mają najczęściej przekrój okrągły, ale w celu zwiększenia czynnego przekroju aluminium, bez zwiększenia średnicy przewodu, druty wykonuje się także jako profilowe, trapezoidalne. Przewody elektroenergetyczne tego typu charakteryzuje większy współczynnik wypełnienia.
Rodzaje przewodów elektroenergetycznych
Przewody elektroenergetyczne stosowane w liniach napowietrznych można podzielić na dwie grupy: przewody tradycyjne o liniowej charakterystyce mechanicznej oraz typu HTLS (ang. Hight Temperature Low Sag), dostosowane do pracy w podwyższonych temperaturach, charakteryzujące się małymi zwisami i nieliniową charakterystyką mechaniczną. Przewody elektroenergetyczne tradycyjne można podzielić na następujące rodzaje:
- przewody ACSR (ang. Aluminium Conductor Steel Reinforced) – aluminiowe z rdzeniem stalowym (w Polsce znane jako AFL),
- przewody ACAR (ang. Aluminium Conductor Aluminium Alloy Reinforced) – aluminiowe z rdzeniem aluminiowym stopowym,
- przewody AAAC (ang. All Aluminium Alloy Conductor) – aluminiowe stopowe, jednorodne,
- przewody AAL (ang. All Aluminium Conductor) – aluminiowe jednorodne.
Przewody elektroenergetyczne ACSR
Przewody elektroenergetyczne ACSR są powszechnie stosowane we wszystkich typach linii napowietrznych. Rdzeń stanowią druty stalowe ocynkowane, dodatkowo pokryte smarem lub stalowe aluminiowe. Warstwa przewodząca wykonana jest z aluminium gatunku AL1. Dzięki zastosowaniu odpowiedniego stosunku przekroju aluminium do stali, uzyskuje się wymagane właściwości elektryczne i mechaniczne przewodów.
Przewody elektroenergetyczne ACAR
Przewody elektroenergetyczne ACSR różnią się od ACSR tym, że druty stalowe zastąpione są drutami aluminiowymi stopowymi gatunku AL4 lub AL5. Dzięki temu uzyskuje się wyższą obciążalność prądową. Dopuszczalna długotrwała temperatura pracy tych przewodów wynosi 80°C.
Przewody elektroenergetyczne AAAC
Przewody elektroenergetyczne AAAC wykonuje się w całości ze stopów aluminium gatunku od AL2 do AL8. Dzięki takiej konstrukcji przewody charakteryzują się bardzo podobną wytrzymałością mechaniczną, jak rozwiązania ACSR. Jednocześnie, dzięki zastosowaniu wyłącznie drutów aluminiowych, są od nich lżejsze, w związku z tym, mają mniejsze zwisy przy tej samej temperaturze. Dopuszczalna długotrwała temperatura pracy wynosi 80°C (w niektórych typach nawet 110°C). Ze względu na szereg zalet przewody AAAC są na całym świecie bardzo powszechnie stosowane w liniach napowietrznych, niezależnie od poziomu napięcia.
Przewody elektroenergetyczne AAL
Przewody elektroenergetyczne AAL wykonuje się w całości z aluminium gatunku AL1. Charakteryzuje je stosunkowo niewielka wytrzymałość mechaniczna, w związku z tym można je zawieszać z niewielkim naciągiem, w krótkich przęsłach. Znajdują zastosowanie wyłącznie w liniach nn. Jednak obecnie linie niskiego napięcia wykonuje się wyłącznie jako izolowane, z przewodami aluminiowymi samonośnymi typu AsXSn.
Przewody elektroenergetyczne HTLS
Przewody elektroenergetyczne HTLS stosowane są przede wszystkim przy modernizacji istniejących linii w celu zwiększenia ich obciążalności prądowej i jednoczesnym minimalizowaniu ingerencji w konstrukcje słupów. Ich oploty wykonuje się ze specjalnego aluminium, które nie traci swoich właściwości w wysokich temperaturach (powyżej 80°C ). Przewody tego typu mają nieliniową charakterystyką zwisu w zależności od temperatury. Oznacza to, że po przekroczeniu pewnej charakterystycznej wartości temperatury (temperatura tzw. punktu kolanowego), przyrost zwisu w funkcji temperatury, jest mniejszy niż w niższych temperaturach. Do rozwiązań z tej grupy należy zaliczyć następujące rodzaje przewodów:
- przewody TACSR (ang. Thermal Resistant Aluminium Conductor Steel Reinforced) – z aluminium odpornego termicznie i z rdzeniem stalowym,
- przewody TACIR (ang. Thermal Resistant Aluminium Conductor Inwar Reinforced) – z aluminium odpornego termicznie i z rdzeniem wykonanym z inwaru,
- przewody GTACSR (ang. Gap-type Thermal Resistant Aluminium Conductor Steel Reinforced) – ze szczeliną, z aluminium odpornego termicznie i z rdzeniem stalowym,
- przewody ACSS (ang. Aluminium Conductor Steel Supported) – aluminiowe z rdzeniem stalowym,
- przewody ACCC (ang. Aluminium Conductor Composite Core) – aluminiowe z rdzeniem kompozytowym,
- przewody ACCR (ang. Aluminium Conductor Composite Reinforced) – aluminiowe z rdzeniem kompozytowym, z włókien z tlenku aluminium Al2O3 w osnowie aluminium,
- przewody ACMCC – (ang. Aluminum Conductor Multi-strand Carbon Fiber Composite Core) – aluminiowe z rdzeniem kompozytowym wieloprętowym z włókien węglowych.
Stosowanie przewodów elektroenergetycznych
Na wybór odpowiedniego przewodu, jaki ma być zastosowany w danej linii elektroenergetycznej, wpływa wiele czynników. Do najważniejszych z nich należy zaliczyć: napięcie linii, wymagane obciążenie prądowe oraz warunki klimatyczne, czyli tzw. strefy obciążenia wiatrem i lodem.
Przewody stosowane w liniach napowietrznych nn
W liniach napowietrznych nn stosuje się przewody elektroenergetyczne aluminiowe gołe typu AL (w starszych rozwiązaniach) lub aluminiowe izolowane typu AsXSn (w nowych lub modernizowanych liniach). Przewody izolowane mają dwie bardzo istotne zalety. W przypadku zerwania i opadnięcia na ziemię, warstwa izolacji chroni ludzi i zwierzęta przed porażeniem prądem elektrycznym. Ponadto, mniej obciążają słupy energetyczne linii, w przypadku wystąpienia wiatru lub warunków sadziowych, w porównaniu do przewodów aluminiowych AL. Dzięki temu, w istniejących liniach nn pozwalają zwiększyć przekrój przewodów bez konieczności wymiany słupów.
Przewody stosowane w liniach napowietrznych SN
W liniach napowietrznych SN najczęściej stosuje się przewody elektroenergetyczne gołe stalowo-aluminiowe lub – w nowszych rozwiązaniach – aluminiowe stopowe niepełnoizolowane (w powłoce z polietylenu usieciowanego). Stosowanie tych ostatnich ogranicza występowanie w liniach zwarć jednofazowych, spowodowanych stykaniem przewodów lub opadnięciem na nie gałęzi drzew.
Przewody stosowane w liniach napowietrznych WN i NN
W liniach napowietrznych WN stosuje się przewody elektroenergetyczne gołe różnych typów, najczęściej ACSR, AAAC i ACAR. W liniach o napięciu 400 kV i wyższym, przewody fazowe wykonuje się w postaci wiązek przewodów wykonanych z dwóch lub więcej przewodów. Tego typu działanie ma na celu zmniejszenie natężenia pola elektrycznego na przewodach, a tym samym – ograniczenie hałasu spowodowanego ulotem elektrycznym, słyszanym jako charakterystyczne trzaski lub szum. Im wyższe napięcie linii, tym wymagane jest zastosowanie większej liczby przewodów w wiązce. Obecnie w Polsce w liniach 400 kV stosuje się trzy przewody w wiązce.
Przewody stosowane w trudnych warunkach środowiskowych
W liniach napowietrznych zlokalizowanych na terenach, gdzie występują większe obciążenia przewodów – od ciężaru lodu – należy stosować przewody o wyższej wytrzymałości mechanicznej. Ma to szczególne znaczenie na terenach górskich, oznaczonych zgodnie z normą PN-EN 50341-2-22:2016, jako strefy obciążenia oblodzeniem S3. W takich przypadkach należy stosować przewody elektroenergetyczne z bardzo wytrzymałym rdzeniem, np. wykonanym ze stali UHST lub rozwiązania o większym udziale stali w całkowitym przekroju.
Publikacja artykułu: październik 2023 r.