О классификации инновационных конструкций проводов воздушных ЛЭП

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2013, www.kabel-news.ru

Тема номера

ÏÐÎÂÎÄÀ ÄËß ËÝÏ

О классификации
инновационных конструкций
проводов воздушных ЛЭП

В статье систематизируется обширная информация о новых типах про-

водов высоковольтных воздушных линий электропередачи и предлагается
их классификация по таким существенным конструктивным признакам, как
компонентная структура, форма и материал проволок токопроводящей части,
материал сердечника. Рассматривается также классификация проводов по
уровню их термостойкости с выделением группы высокотемпературных про-
водов с малой стрелой провеса.

Эдуард ЗУЕВ,

профессор кафедры «Электроэнергетические системы» НИУ «МЭИ», к.т.н.

ВВЕДЕНИЕ

Нельзя не оценить положительно ориентацию на

инновационные технические решения в электросе-
тевом комплексе, заложенную в современную техни-
ческую политику ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «Россети».
В той части соответствующих документов, которая
касается сооружения новых и реконструкции суще-
ствующих воздушных линий (ВЛ), прогрессивные
решения направлены прежде всего на увеличение
их пропускной способности [1].

Конечно, при этом не следует забывать и о не-

обходимости обеспечения требуемой степени на-
дёжности электроснабжения потребителей, а также
об экономической эффективности таких решений.
Одно из них состоит в использовании нетрадицион-
ных типов проводов [2, 3], позволяющих достигнуть
повышения в 1,6—3 раза длительно допустимой по
условиям их нагрева передаваемой по ВЛ мощности
за счёт увеличенной рабочей температуры провода.
За такими проводами в современной технической
литературе закрепилось название

«высокотемпе-

ратурные»

(ВТП), хотя сами по себе эти темпера-

туры не слишком высоки — не более 250

С. Просто

они отличаются в большую сторону от рабочих тем-
ператур для традиционных сталеалюминиевых про-
водов марки АС [4, 5].

Ещё одно инновационное решение, частично ис-

пользующее предыдущее, состоит в применении
проводов, относящихся к категории HTLS (High Tem-

perature Low Sag), то есть

высокотемпературных

проводов с малой стрелой провеса

[6, 7].

Номенклатура проводов новых конструкций, вы-

пускаемых зарубежными компаниями 3M, Nexans,
General Cable, J-Power Systems, VISCAS, Southwire,
СТС Global, Lumpi-Berndorf и др., а также отече-
ственными заводами — ОАО «Кирскабель», ООО
«ЭМ-КАБЕЛЬ», достаточно разнообразна и насчиты-
вает вместе с модификациями около двух десятков
наименований [2, 8]. К сожалению, проектировщику,
перед которым стоит задача выбора марки прово-
да, адекватной исходным техническим условиям, не
просто сориентироваться в обилии публикаций (см.
литературу), почти в каждой из них производитель
соответствующей марки провода рекламирует свою
продукцию. А что говорить о студентах, изучающих
дисциплину «Конструкции воздушных линий элек-
тропередачи»? Ведь сегодня нет ни одного учебного
и справочного пособия, систематизированно изла-
гающего тему «Современные провода ВЛ».

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ

ПРИЗНАКАМ

В связи с вышеизложенным ниже систематизи-

рована информация о нетрадиционных конструк-
циях проводов и предложена их классификация по
ряду признаков. В качестве таких признаков приня-
та компонентная структура провода, форма и мате-
риал проволок токопроводящей части (ТПЧ) и мате-

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2013, www.kabel-news.ru

Тема номера

ÏÐÎÂÎÄÀ ÄËß ËÝÏ

риал сердечника. По каждому признаку выделены
разновидности соответствующих характеристик, а
также возможные варианты их реализации с ука-
занием отличительных символов, присутствующих
в марках проводов. Результаты этой работы пред-
ставлены в табл. 1.

В качестве иллюстрации разновидностей, выде-

ляемых в соответствии с первым признаком (

«Ком-

понентная структура»

), на рис. 1 представлены

поперечные сечения проводов, серийно изготовляе-
мых в России по нормам ГОСТ 839-80 [4], а именно
моно- и биметаллические провода марок А и АС.

Табл. 1. Классификация проводов ВЛ по конструктивным признакам

№

Признак

Разновидности

Варианты

Символы

Источник

Компонентная
структура

1.1
монометаллический

1.1.1 алюминий

[4]

1.1.2 алюминиевый сплав

ААА

[10]

1.2
биметалллический

1.2.1 без зазора

по умолчанию

[4]

1.2.2 с зазором

G (gap)

[11]

1.3 металл +
композит

см. п. 4.3

—

[12, 13]

Форма проволок
токопроводящей
части

2.1 круглая

2.1.1 одного диаметра

по умолчанию

[4]

2.1.2 разного диаметра

нет

[14]

2.2 трапецеидальная

нет

[15]

2.3 Z-образная

нет

[16]

2.4 стреловидная

нет

[15]

Материал
проволок
токопроводящей
части

3.1 алюминий

3.1.1 электротехнический (АТ)

[5]

3.1.2 мягкий (АМ)

ACSS

[7]

3.2 алюминиевый
сплав

3.2.1 АВЕ [Al + 2% (Mg+Si+Fe)]

[10]

3.2.2 TAL, ZTAL, XTAL, KTAL (Al-Zr)

T, ZT, XT, KT

[17]

Материал
сердечника

4.1 сталь с покрытием

4.1.1 гальваническим (оцинкованная) по умолчанию

[7]

4.1.2 мишметаллом — сплав 95%
Zn+5% Al

нет

4.1.3 алюминием

AW (ACS)

4.2 сплав

4.2.1 алюминий — цирконий

нет

[17]

4.2.2 железоникелевый (инвар)

[3]

4.3 композит

4.3.1 с металлич. матрицей (Al, Al

)

[12]

4.3.2 с полимерной матрицей

[12]

4.4 сталь немагнитная
азотсодержащая

нет

АСа

[14]

б) биметаллический марки АС — сталеалюминиевый

(аналог АСSR)

а) монометаллический марки А — из алюминиевых

проволок (аналог ААС)

Рис. 1. Поперечные сечения неизолированных проводов для ВЛ по ГОСТ 839-80

алюминиевая
проволока

стальной
сердечник

алюминиевая
проволока

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2013, www.kabel-news.ru

На рис. 2 показаны сечения проводов, ТПЧ кото-

рых изготовлены с использованием фасонных про-
волок различной формы (см. признак 2 в табл. 1).
Поскольку применение ТПЧ из круглых проволок в
прошлом являлось общепринятым решением, то
здесь представлены только провода с нетрадицион-
ной формой проволок в соответствии с позициями
2.2, 2.3 и 2.4 в табл. 1.

Справедливости ради следует отметить, что дан-

ная попытка классифицировать новые провода име-
ет своих предшественников. Так, в [9] выделены три
группы инновационных видов проводов:
• провода, устойчивые к обледенению (с оплёткой

из материалов с низкой точкой Кюри или со спе-
циальным покрытием);

• провода с повышенной механической прочно-

стью;

• термостойкие провода с повышенной пропускной

способностью (дифференцированные только по
материалу сердечника).
К сожалению, в [9] отсутствуют какие-либо по-

яснения относительно состава марок проводов,
входящих в ту или иную группу. Кроме
того, вызывает недоумение включе-
ние в разные группы (вторую и третью)
одинаковых типов проводов (с сердеч-
ником из базальтовых или углеродных
волокон).

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО УРОВНЮ

ТЕРМОСТОЙКОСТИ

Более рациональным представляет-

ся выделение опять же трёх групп про-
водов в [6]. К

первой группе

отнесены

компактные провода с длительно
допустимой температурой нагрева
до 90

С.

Компактность достигается за

счёт изменения формы проволок ТПЧ
с круглой на трапецеидальную или
Z-образную (см. рис. 2). При этом коэф-
фициент заполнения поперечного сече-

ния возрастает на 30—40%. Для проволок сердеч-
ника в таких проводах используется высокопрочная
оцинкованная сталь, алюминиевый сплав или ком-
позит (см. позиции 4.1.1, 4.2.1 и 4.3 в табл. 1).

В таблице, представленной в [8], к этой группе

отнесены провода с ТПЧ из алюминиевых проволок
(марок ААС, АСАR, АСSR) или из термообработан-
ного сплава А3F или АВЕ (Al + 2% (Mg+Si+Fe) [10]
марок АААС Z и ААСSR Z. В качестве примера про-
водов этой группы на рис. 3 представлены попереч-
ные сечения проводов с общей торговой маркой
Aero-Z компании Nexans [16], а именно провода с
проволоками ТПЧ из сплава А3F, являющегося ана-
логом отечественного термообработанного алюми-
ниевого сплава марки АВЕ.

Для перечисленных выше 5 марок проводов, не

относящихся к категории «высокотемпературных», в
[8] указана максимально допустимая рабочая темпе-
ратура (

доп

), равная 90

С.

Расшифровка приведённых выше марок, так же

как и последующих, представлена в табл. 2, которая
частично совпадает с таблицей в [2], в которой даны

Рис. 2. Нестандартные формы проволок токопроводящей части провода

а) трапецеидальная б) Z-образная

Рис. 3. Провода «Aero-Z» компании Nexans

а) полностью из алюминие-

вого сплава A3F

(ААAС Z)

б) из алюминиевого сплава A3F

со стальным сердечником

(ААСSR Z)

Тема номера

ÏÐÎÂÎÄÀ ÄËß ËÝÏ

в) стреловидная (конструкция ОАО «ВНИИКП»)

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2013, www.kabel-news.ru

Марка

Английский термин

Русский термин

AAC

All Aluminium Conductor

Провод полностью из Al проволок

AAAC*

All Aluminium Alloy Conductor

Провод полностью из проволок из термообработанного

сплава АВЕ

AAAC Z

AAAC with Z-wires (Aero-Z)

То же с двумя внешними повивами из Z-образных проволок

ACSR**

Aluminium Conductor Steel Reinforced

Сталеалюминиевый провод марки АС

ACAR

Aluminium Conductor Alloy Reinforced

Провод из Al проволок с сердечником из термообработанного

сплава АВЕ

ACSS**

Aluminium Conductor Steel Supported

Провод с проволоками из отожжённого Al с сердечником

из высокопрочной стали

TACSR

Thermal Resistant Aluminium Alloy (TRAA)

Conductor Steel Reinforced

Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL)

со стальным сердечником

ZTACSR

Ultra TRAA Conductor Steel Reinforced

То же, но из сплава ZTAL

KTACSR

High Strength TRAA Conductor Steel Rein-

forced

То же, но из сплава KTAL (высокой прочности)

TACIR

TRAA Conductor Invar Reinforced

Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL)

с сердечником из железоникелевого сплава инвар

ZTACIR

Ultra TRAA Conductor Invar Reinforced

То же, но из сплава ZTAL

XTACIR

Extra TRAA Conductor Invar Reinforced

То же, но из сплава XTAL

GTACSR

Gap-Type TRAA Conductor Steel Reinforced

Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL)

со стальным сердечником с зазором

GZTACSR

Gap-Type Ultra TRAA Conductor Steel

Reinforced

То же, но из сплава ZTAL

ACCR

TRAA Conductor Composite Reinforced

Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL)

с сердечником из металлокомпозита

ACCC*

Aluminium Conductor Composite Core

Провод с проволоками из отожжённого Al с сердечником

из углеродного композита

ACCFR

Aluminium Conductor Carbon Fiber Rein-

forced

Провод с проволоками из Al с композитным сердечником

из углеродных волокон

TACCFR

TRAA Conductor Carbon Fiber Reinforced

Провод с проволоками из термостойкого сплава Al-Zr (TAL)

с сердечником из углеродных волокон

* С модификацией AAAC/TW — ТПЧ с трапецеидальными проволоками.
** С модификациями ACSR/TW и ACSR/AW (где AW или ACS — Aluminium Clad Steel Wire — стальная проволока,

плакированная алюминием).

Табл. 2. Обозначения марок проводов ВЛ и их расшифровка

только марки ВТП, то есть проводов, относящихся ко
второй и третьей группам, выделенным в [6].

Вторая группа

в [6] включает в себя ВТП, не

относящиеся к категории HTLS. Это прежде всего
провода, у которых проволоки ТПЧ изготовлены из

алюминиево-циркониевых сплавов

(Al-Zr). Шерен-

га этих сплавов насчитывает четыре наименования,
а именно TAL, ZTAL, XTAL и KTAL [17]. Первые три
модификации могут длительно эксплуатироваться
при

доп

= 150, 210 и 230

С соответственно. Послед-

няя (KTAL) имеет такую же нагревостойкость, как и
у сплава TAL (150

С), но отличается от него более

высокой прочностью.

Всем этим сплавам в англоязычной литературе

соответствует термин Thermal Resistant Aluminium Al-
loy (TRAA), что в переводе означает

«термостойкий

алюминиевый сплав»

. Однако, чтобы отличить раз-

новидности, к основному термину добавляют следую-
щие признаки: для ZTAL — Ultra TRAA, для XTAL —

Extra TRAA, для KTAL — High Strength TRAA [2]. Рас-
сматриваемая группа включает в себя провода сле-
дующих марок: TACSR, ZTACSR, KTACSR. К этой же
группе принадлежат провода марок ACSS, ACSS/TW,
ACSS/AW, ACSS/TW/AW (

доп

= 200

С), где проволоки

ТПЧ (марки АМ) изготовлены из отожжённого алюми-
ния [7]. Поскольку предел прочности при растяжении
проволоки марки АМ примерно в 2 раза меньше, чем
у проволоки марки АТ, используемой при изготов-
лении обычных сталеалюминиевых проводов [4], то
сердечник должен быть изготовлен из высокопроч-
ной стали марки HS или EHS [17] для обеспечения
необходимой прочности провода в целом.

Создание проводов

третьей группы

(ВТП с малой

стрелой провеса) требует применения материалов,
характеризующихся пониженными значениями

коэф-

фициента линейного температурного расширения

. Значения

для различных материалов, используе-

мых при изготовлении проводов ВЛ, даны в табл. 3.

Тема номера

ÏÐÎÂÎÄÀ ÄËß ËÝÏ

Page 6

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2013, www.kabel-news.ru

Табл. З. Коэффициент

линейного температурного расширения

Материал

, 10

–6

Алюминий

сплав

АВЕ

23,0

Высокопрочная

сталь

марки

EST

11,5

Металлокомпозит

(Al + Al

)

6,0

Железоникелевый

сплав

(

инвар

)

3,7

Полимеркомпозит

[12]

1,6

Анализ данных этой таблицы показывает, что к

рассматриваемой группе следует отнести провода
марок:
• TACIR, ZTACIR, XTACIR — с сердечником из спла-

ва инвар;

• ACCR — с сердечником из металлокомпозита

(рис. 4);

• АCCC — с сердечником из полимеркомпозита

[18].

Рис. 4. Структура сердечника из

металлокомпозита в проводе марки АССR

компании 3М

Свыше 25000 волокон из оксида
алюминия обеспечивают высокую
механическую прочность проволки

Чистый алюминий
между волокнами
обеспечивает высокую
проводимость

Композитная проволка диаметром 2,6 мм

Рис. 5. Конструкция проводов марок GTАСSR и GZTАСSR с заполненным

термостойкой смазкой зазором между стальным сердечником и

токопроводящей частью

Термостойкий алюминиевый сплав или

сверхтермостойкий алюминиевый сплав

Зазор, заполненный смазкой

движение

Сверхпрочная оцинкованная сталь

вляется за стальной сердечник (проволоки ТПЧ из
сплава Al-Zr растягивающую нагрузку не восприни-
мают), то величина стрелы провеса будет опреде-
ляться температурным коэффициентом линейного
расширения стали (11,5·10

–6

·1/

С). Для сравнения

укажем, что для обычного сталеалюминиевого про-
вода марки ACSR (в России — марки АС) значение
этого коэффициента составляет (19—20)10

–6

·1/

С.

В качестве примера на рис. 6 представлены зави-

симости стрелы провеса провода сечением 400 мм

в пролёте длиной 300 м от его температуры для че-
тырёх марок проводов: ACSR (

доп

= 90

С), GTACSR

(

доп

= 150

С), ZTACIR и GZTACSR (

доп

= 210

С).

Из сопоставления этих зависимостей следует,

что стрелы провеса провода марки GTACSR при тем-
пературе 150

С и провода марки ZTACIR при 210

практически такие же, как и у провода марки ACSR
при 90

С. Это означает, что при замене обычного

сталеалюминиевого провода на ВТП может быть
достигнуто существенное увеличение нагрузочной
способности ВЛ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заканчивая обзор существующих сегодня кон-

струкций проводов ВЛ, хотелось бы подчеркнуть,
что мы умышленно не касались сопоставления их
технических достоинств и недостатков, и прежде
всего степени повышения пропускной способности
линии по условиям допустимого нагрева проводов в
стационарном режиме. Это тема отдельного иссле-
дования, опосредствованного необходимостью ва-
риации многочисленных влияющих факторов.

Не следует забывать, что ограничение переда-

ваемой мощности по условиям допустимого нагрева
проводов является активным лишь для относитель-
но коротких ВЛ. Для протяжённых линий межсистем-
ных связей сверхвысокого напряжения на первый
план выступает ограничение передаваемой мощ-
ности условиями сохранения статической устойчи-
вости параллельной работы объединяемых линией
систем. При этом отпадает необходимость увеличе-
ния нагрузочной способности линии по условиям до-
пустимого нагрева проводов.

Использование этих проводов при реконструкции

существующих ВЛ с целью повышения их нагрузоч-
ной способности позволяет уменьшить стрелы про-
веса при сохранении длин промежуточных пролётов
и высоты промежуточных опор.

Аналогичную цель пре-

следует создание необыч-
ной конструкции провода,
где ТПЧ и сердечник не
контактируют напрямую
друг с другом, поскольку
разделены зазором (gap),
заполненным термостой-
кой консистентной смазкой
(рис. 5). Это провода марок
GTACSR и GZTACSR.

Поскольку натяжение

таких проводов осущест-

Тема номера

ÏÐÎÂÎÄÀ ÄËß ËÝÏ

Page 7

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2013, www.kabel-news.ru

Однако если последняя задача всё же является

актуальной, то перед проектировщиком встаёт за-
дача выбора оптимального варианта из числа кон-
курентоспособных по техническим показателям [19].
В посвящённой этому вопросу статье [20] предлага-
ется «Методика экономического обоснования при-
менения в электрических сетях проводов с повы-
шенной пропускной способностью». В приведённом
примере использования проводов марок ACCR или
Aero-Z при реконструкции семи ВЛ 110 кВ, работаю-
щих в сети 330—220—110 кВ, рассматривается дву-
кратный рост нагрузок в течение 5 лет, в результате
чего указанные семь ВЛ работали бы с перегрузкой
по току от 2 до 52%.

Оценка эффективности их реконструкции вы-

полнена автором на основе «статической технико-
экономической модели», то есть без учёта дис-
контирования затрат за определённый расчётный
период. Несмотря на то что такой подход нельзя
считать адекватным современной методике про-
ектирования [21], нельзя не согласиться с выводом
автора о том, что «применение высокотемператур-
ных композитных проводов для повышения надёж-
ности и пропускной способности электрических
сетей 220—110 кВ не всегда однозначно даёт по-
ложительный эффект и требует серьёзных технико-
экономических обоснований».

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев Б.А. Оценка нагрузочной способно-

сти воздушных линий и методы её повышения //
Энергоэксперт, 2010, № 4, с. 80—83.

2. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Кро-

хин А.Ю. Инновационные провода для воздушных
линий электропередачи. Часть 1 // КАБЕЛЬ-news,
2010, № 4, с. 66—68.

3. Алексеев Б.А. Повышение пропускной способно-

сти воздушных линий электропередачи и приме-
нение проводов новых марок // ЭЛЕКТРО, 2009,
№ 3, с. 45—50.

4. ГОСТ 839—80. Провода неизолированные для

воздушных линий электропередачи. Технические
условия. — М.: Изд-во стандартов, 1980.

5. Электротехнический справочник: в 4 томах, т. 3.

Производство, передача и распределение элек-
трической энергии. — 8-е изд. — М.: Издатель-
ство МЭИ, 2002 (Раздел 50. Конструкции воздуш-
ных линий электропередачи).

6. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Кро-

хин А.Ю. Инновационные провода для воздушных
линий электропередачи. Часть 3 // КАБЕЛЬ-news,
2011, № 2, с. 52—54.

7. Френкель В. Высокотемпературные провода с

малой стрелой провеса // Энергоэксперт, 2010,
№ 4, с. 66—68.

8. Щеглов Н. Современные подходы к совершен-

ствованию и развитию воздушных линий элек-
тропередачи // Энерго-info, 2010, № 10, с. 66—69.

9. Кувшинов А. Инновационные конструкции для вы-

соковольтных линий электропередачи // КАБЕЛЬ-
news, 2012, № 2, с. 30—32.

10. Номенклатурный каталог завода «ЭМ-КАБЕЛЬ»

// Материалы выставки Cabex 2012.

11. Соколов С. Провод конструкции GTACSR по-

вышает пропускную способность ВЛ // Новости
электротехники, 2005, № 5, с. 80—81.

12. Котов Р. Сравнение технологий производства

композитных проводов // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ.
Передача и распределение, 2013, № 1, с. 46—47.

13. Ермаков А. Передача энергии по высокотехноло-

гичным проводам // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Пере-
дача и распределение, 2012, № 5, с. 54—55.

14. Кошиц И., Светиков Ю. Повышение надёжности

проводов и грозотросов ЛЭП // КАБЕЛЬ-news,
2011, № 1, с. 56—65.

15. Шувалов М.Ю. Инновации кабельной промыш-

ленности в электроэнергетике // КАБЕЛЬ-news,
2012, № 4, с. 38—44.

16. Костиков И.С., Горожанин М.А. Эффективные ре-

шения в сфере передачи и распределения энер-
гии // Энергоэксперт, 2010, № 5, с. 84—85.

17. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Кро-

хин А.Ю. Инновационные провода для воздушных
линий электропередачи. Часть 2 // КАБЕЛЬ-news,
2010, № 6—7, с. 48—51.

18. Группа компаний «Сим-Росс» — энергоэффек-

тивные провода для российской электроэнерге-
тики // КАБЕЛЬ-news, 2012, № 4, с. 24—27.

19. Зуев Э.Н. Техника передачи электроэнергии:

проблемы развития // КАБЕЛЬ-news, 2010, № 4,
с. 40—52.

20. Непомнящий В.А. Оценка эффективности ис-

пользования в электрических сетях проводов с
повышенной пропускной способностью // Энерго-
эксперт, 2011, № 3, с. 38—44.

21. Справочник по проектированию электрических

сетей // Под ред. Д.Л. Файбисовича. — 4-е изд. —
М.: ЭНАС, 2012.

Тема номера

ÏÐÎÂÎÄÀ ÄËß ËÝÏ

Рис. 6. Сопоставление стрел провеса проводов

марок АСSR, ZTACIR, G(Z)TАСSR c сечениями

400 мм

в промежуточном пролёте длиной 300 м

при изменении температуры провода

Температура провода,

9,5

6,5

Стрела провеса, м

100

150

200

ACSR
ZTACIR
G(Z)TACSR

Оригинал статьи: О классификации инновационных конструкций проводов воздушных ЛЭП

Читать онлайн

В статье систематизируется обширная информация о новых типах проводов высоковольтных воздушных линий электропередачи и предлагается их классификация по таким существенным конструктивным признакам, как компонентная структура, форма и материал проволок токопроводящей части, материал сердечника. Рассматривается также классификация проводов по уровню их термостой кости с выделением группы высокотемпературных проводов с малой стрелой провеса.