Cáp điện trên không: Các loại, lựa chọn và lắp đặt

Lựa chọn đúng cáp điện trên không đối với đường dây truyền tải hoặc phân phối đòi hỏi phải cân bằng ba biến số phụ thuộc lẫn nhau: khả năng mang dòng liên tục, độ bền kéo cơ học và trạng thái võng dài hạn ở nhiệt độ vận hành tối đa . Đối với hầu hết các ứng dụng trung thế và cao áp, dây dẫn nhôm gia cố bằng thép (ACSR) vẫn là lựa chọn mặc định vì lõi thép mạ kẽm chịu khoảng 55% đến 65% tổng lực căng trong khi các sợi nhôm mang dòng điện, một chức năng tách biệt mà không dây dẫn đồng nhất nào có thể sánh được với chi phí tương đương.

Các loại dây dẫn và thành phần vật liệu

Cáp điện trên không được phân loại theo vật liệu và cấu hình bện của dây dẫn. Ba dòng dây dẫn trần chính thống trị thị trường, mỗi dòng phù hợp với độ dài nhịp và điều kiện môi trường riêng biệt.

ACSR, hay Dây dẫn nhôm được gia cố bằng thép, bao gồm một lõi thép xoắn đồng tâm được bao quanh bởi một hoặc nhiều lớp sợi nhôm 1350-H19 được kéo cứng. Lõi thép, có nhiều cấp độ bền khác nhau, cung cấp xương sống chịu kéo, trong khi các lớp nhôm mang dòng điện với độ dẫn điện là 61,2% IAC (Tiêu chuẩn đồng ủ quốc tế). Một dây dẫn ACSR "Drake" điển hình, có dây xoắn 26/7 và đường kính tổng thể là 28,14 mm, đạt được độ bền kéo định mức là 140 kN và cường độ dòng điện liên tục khoảng 907 amps ở 75°C trong điều kiện gió vừa phải.

AAAC, dây dẫn hoàn toàn bằng hợp kim nhôm, sử dụng dây đồng nhất bằng hợp kim nhôm 6201-T81. Hợp kim này kết hợp magie và silicon để đạt được độ bền kéo gần gấp đôi so với nhôm dẫn điện 1350-H19, loại bỏ nhu cầu về lõi thép. Dây dẫn AAAC được chỉ định khi mối lo ngại về ăn mòn lõi thép, đặc biệt là trong môi trường ven biển hoặc công nghiệp có chứa clorua hoặc hợp chất lưu huỳnh trong không khí. Việc không có lõi thép từ tính cũng giúp loại bỏ hiện tượng trễ và tổn thất do dòng điện xoáy, làm giảm điện trở AC khoảng 3% đến 5% so với ACSR có đường kính tương đương dưới cùng một dòng tải.

AAC, dây dẫn hoàn toàn bằng nhôm được làm hoàn toàn từ các sợi 1350-H19, mang lại độ dẫn điện cao nhất trên mỗi đơn vị trọng lượng nhưng độ bền kéo thấp nhất. Việc sử dụng nó chỉ giới hạn ở các nhịp ngắn trong mạng phân phối đô thị và các ống nhỏ giọt thanh cái trong các trạm biến áp, nơi chiều dài nhịp hiếm khi vượt quá 50 mét và dây dẫn không cần phải chịu được tải trọng gió hoặc băng cao.

Hiệu suất so sánh của các loại dây dẫn tiêu chuẩn

Nguyên tắc cơ bản về độ khuếch đại và đánh giá nhiệt

Độ khuếch đại của cáp điện trên không không phải là một con số cố định mà là hàm số của sự cân bằng nhiệt giữa tổn thất điện trở (I2R gia nhiệt), bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi bề mặt dây dẫn, làm mát đối lưu từ gió và tổn thất nhiệt bức xạ lên bầu trời. Tiêu chuẩn IEEE 738 xác định phương trình nhiệt ở trạng thái ổn định chi phối sự cân bằng này. Trong trường hợp xấu nhất giả định là có ánh nắng đầy đủ, tốc độ gió thấp 0,6 m/s và nhiệt độ môi trường xung quanh là 40°C, công suất của một dây dẫn nhất định có thể là Giảm 25% đến 35% hơn giá trị được công bố đối với điều kiện mùa xuân vừa phải.

Nhiệt độ vận hành dây dẫn là biến độc lập kiểm soát độ võng. Dây dẫn ACSR tiêu chuẩn được đánh giá để hoạt động liên tục ở 75°C, 90°C hoặc 100°C , với nhiệt độ cao hơn được phép trong trường hợp khẩn cấp hoặc điều kiện tải cao điểm ngắn hạn. Trên 93°C, các sợi nhôm bắt đầu ủ, làm giảm vĩnh viễn độ bền kéo của chúng. Các dây dẫn có độ võng thấp ở nhiệt độ cao (HTLS) như ACSS, G(Z)TACSR và ACCR sử dụng lõi nhôm hoặc lõi composite được ủ hoàn toàn để hoạt động liên tục ở 150°C đến 210°C , tăng gần gấp đôi công suất của đường dây ACSR thông thường trong cùng một lộ giới mà không yêu cầu các tháp cao hơn.

Tính toán độ căng và thực hành căng dây

Mối quan hệ giữa độ căng của dây dẫn và độ võng được điều chỉnh bởi phương trình dây xích, phương trình này đối với các nhịp ngắn hơn 300 mét sẽ đơn giản hóa thành một phép tính gần đúng parabol với sai số chấp nhận được. Quá trình thiết kế bắt đầu với khái niệm nhịp chính, chiều dài nhịp trung bình có trọng số đại diện cho trạng thái cơ học tương đương của toàn bộ phần chịu kéo giữa các kết cấu ngõ cụt. Độ căng không tải ban đầu ở nhiệt độ xâu dây thấp nhất, thường là -20°C hoặc 0°F , phải được đặt sao cho dây dẫn không vượt quá 60% độ bền đứt định mức của nó dưới sự kết hợp tải trọng gió và băng nghiêm trọng nhất được quy định bởi Bộ luật An toàn Điện Quốc gia (NESC) cho khu vực tải trọng địa lý.

Thắt dây không chỉ đơn giản là kéo dây dẫn đến độ căng mục tiêu và kẹp nó. Dây dẫn phải được căng đến giá trị độ võng được đo bằng cách quan sát qua nhịp bằng máy đo độ cao quá cảnh hoặc kỹ thuật số, với dây dẫn ở nhiệt độ đồng nhất đã biết. Đối với nhịp ACSR Drake dài 300 mét ở nhiệt độ 15°C không có gió hoặc băng, độ võng mục tiêu xấp xỉ 6,5 mét , tương ứng với lực căng ngang khoảng 17 kN. Sau khi cắt vào, dây dẫn giãn ra do quá trình lắng đọng của sợi và hiện tượng dão luyện kim, mất đi khoảng 10% đến 15% độ căng ban đầu trong 1.000 giờ sử dụng đầu tiên . Độ võng của dây phải lường trước hiện tượng này bằng cách đặt mục tiêu độ căng quá mức từ 10% đến 12%, sau đó giảm độ võng đến độ võng cuối cùng của thiết kế.

Rung động Aeilian và giảm xóc dây dẫn

Khi một cơn gió tầng ổn định đi qua dây cáp trên cao với tốc độ từ 1 đến 7 m/s, nó sẽ tạo ra các xoáy Kármán xen kẽ tạo ra một lực nâng theo chu kỳ vuông góc với hướng gió. Rung động aeolian này, với tần số thường nằm trong khoảng 3 đến 150 Hz , buộc dây dẫn dao động ở hoặc gần tần số cộng hưởng tự nhiên của một trong các chế độ rung cao hơn của nó. Biến dạng uốn sinh ra ở kẹp treo dây dẫn, nơi chuyển động bị hạn chế hoàn toàn, vượt quá giới hạn độ bền mỏi của nhôm khoảng 57 MPa (8,3 ksi) trong vòng hàng chục triệu chu kỳ, tích lũy trong vài ngày trong điều kiện gió ổn định.

Biện pháp giảm thiểu sử dụng bộ giảm chấn Stockbridge, bộ giảm chấn rung xoắn ốc (chính thức được gọi là bộ giảm chấn hình chó hoặc bộ phận giảm chấn dạng xoắn ốc) hoặc bộ giảm chấn đệm trên dây dẫn đi kèm. Bộ giảm chấn Stockbridge được điều chỉnh phù hợp có hai tần số cộng hưởng tạo nên tần số dẫn ưu thế, hấp thụ năng lượng rung thông qua ma sát bên trong của các sợi cáp truyền tin của nó. Khoảng cách đặt van điều tiết từ kẹp không phải là tùy ý; nó phải được đặt ở điểm mà biên độ annode rung của dây dẫn đủ để kích thích bộ giảm chấn. Đối với đường dây 132 kV điển hình có dây dẫn ACSR Lynx, bộ giảm chấn đầu tiên được đặt Cách miệng kẹp treo 0,8 đến 1,2 mét , với bộ giảm chấn thứ hai ở độ cao 1,8 mét trên các nhịp vượt quá 400 mét.

Quản lý phóng điện và trường điện từ Corona

Ở điện áp truyền tải từ 230 kV trở lên, gradient điện trường ở bề mặt dây dẫn tiến gần đến cường độ đánh thủng điện môi của không khí, xấp xỉ 30 kV/cm ở mực nước biển . Khi gradient bề mặt vượt quá khoảng 17 kV/cm trong điều kiện khô ráo, quá trình phóng điện vầng quang bắt đầu, tạo ra tiếng ồn có thể nghe được, nhiễu sóng vô tuyến (RI) ở dải tần 0,5 đến 1,6 MHz và mất điện. Độ dốc bề mặt tỷ lệ nghịch với bán kính dây dẫn; một dây dẫn cho mỗi pha phải có đường kính ít nhất 24 mm cho 230 kV và 32 mm cho 345 kV để giữ độ dốc dưới ngưỡng hào quang.

Các dây dẫn đi kèm giải quyết vấn đề này bằng cách chia dòng điện pha thành hai, ba hoặc bốn dây dẫn phụ cách nhau bằng các miếng đệm cứng ở khoảng cách 30 đến 45 cm. Một bó dây dẫn đôi có đường kính 28 mm ở 400 kV đạt được đường kính tương đương xấp xỉ 180 mm về mặt phân bố điện trường, giảm độ dốc bề mặt xuống khoảng ba lần so với một dây dẫn có tổng diện tích mặt cắt ngang tương đương. Khoảng cách giữa các miếng đệm được chọn để tối ưu hóa sự cân bằng giữa tính đồng nhất của điện trường và độ ổn định cơ học chống lại dao động dưới nhịp, một hiện tượng trong đó dây dẫn hướng gió che chắn dây dẫn phía dưới gió, tạo ra sự mất ổn định khí động học dẫn đến chuyển động giật hình elip.

Lựa chọn chất cách điện và phối hợp khoảng cách đường dây

Dây dẫn trên không được đỡ về cơ và cách điện bằng dây treo hoặc dây cách điện căng. Khoảng cách đường rò của cái cách điện, chiều dài đường dẫn dọc theo bề mặt cách điện từ đầu nối có điện đến đầu nối đất, phải đủ để ngăn ngừa phóng điện trong điều kiện ẩm ướt bị ô nhiễm. Khoảng cách đường rò cụ thể được xác định bằng mm của đường rò trên mỗi kV điện áp pha-pha của hệ thống. Đối với các khu vực ô nhiễm ánh sáng, một đường dây cụ thể của 16 mm/kV là đủ; dùng cho phun muối công nghiệp nặng hoặc ven biển, 31 mm/kV trở lên được chỉ định, đạt được bằng cách sử dụng dây dài hơn hoặc chất cách điện kiểu sương mù có viền sâu hơn.

Chất cách điện bằng polyme tổng hợp có vỏ cao su silicon đã thay thế phần lớn các dây có nắp đậy bằng sứ và thủy tinh cho các công trình xây dựng mới có điện áp 138 kV trở xuống và đang được chấp nhận ở mức EHV. Bề mặt kỵ nước của cao su silicon làm cho nước tạo thành hạt thay vì tạo thành màng dẫn điện liên tục, ngăn chặn dòng điện rò rỉ bằng cách hệ số từ 10 đến 100 so với bề mặt sứ ưa nước trong điều kiện ô nhiễm giống hệt nhau. Kiểu hư hỏng chính của chất cách điện composite là gãy giòn thanh lõi sợi thủy tinh do bị axit hoặc nước xâm nhập vào vòng đệm đầu nối bị lỗi, một cơ chế yêu cầu giám sát liên tục tải trọng cơ học và kiểm tra trực quan tính toàn vẹn của vỏ.

Khả năng tương thích, kết nối và phần cứng

Toàn bộ đường dây trên không chỉ đáng tin cậy khi có các mối nối và điểm cuối của nó. Các mối nối giữa nhịp, cần thiết cho chiều dài dây dẫn vượt quá khả năng cuộn tiêu chuẩn, phải đạt được độ bền kéo ít nhất 95% độ bền đứt định mức của dây dẫn và điện trở không vượt quá 75% chiều dài tương đương của dây dẫn không nối. Các khớp nối chịu lực hoàn toàn kiểu nén, được sử dụng với khuôn lục giác và máy ép thủy lực có khả năng chịu áp lực 700 bar (10.000 psi), là tiêu chuẩn công nghiệp. Thân khớp là một ống bọc nhôm trượt trên các sợi nhôm và một ống bọc thép riêng biệt giữ chặt lõi thép. Hai tay áo được quấn độc lập; đầu tiên là ống bọc thép, truyền toàn bộ lực căng định mức qua lõi, tiếp theo là ống bọc nhôm, mang dòng điện xung quanh khớp thép.

Ăn mòn điện lưỡng kim xảy ra ở bất cứ nơi nào dây dẫn nhôm tiếp xúc với phần cứng hợp kim đồng khi có chất điện phân. Nhôm, được anốt hóa thành đồng, sẽ bị ăn mòn tạm thời. Tất cả các đầu nối nén và thân kẹp của dây dẫn nhôm phải được làm từ hợp kim nhôm hoặc được mạ thiếc hoàn toàn để tránh tiếp xúc trực tiếp giữa đồng với nhôm. Tại các kết cấu cụt của trạm biến áp, nơi đường dây trên không bằng nhôm chuyển sang làm việc bằng đồng, vấu chuyển tiếp được hàn bằng ma sát lưỡng kim sẽ cách ly hai kim loại trong khi cung cấp đường dẫn dòng điện trở thấp được định mức cho toàn bộ dòng điện ngắn mạch của đường dây.