Kabel Elektrik Overhed: Jenis, Pemilihan & Pemasangan

Memilih yang betul kabel elektrik atas kepala untuk talian penghantaran atau pengedaran memerlukan mengimbangi tiga pembolehubah saling bergantung: kapasiti pembawa arus berterusan, kekuatan tegangan mekanikal, dan tingkah laku kendur jangka panjang di bawah suhu operasi maksimum . Bagi kebanyakan aplikasi voltan sederhana dan tinggi, konduktor aluminium bertetulang keluli (ACSR) kekal sebagai pilihan lalai kerana teras keluli tergalvani membawa kira-kira 55% hingga 65% daripada jumlah ketegangan manakala helai aluminium membawa arus, pemisahan fungsi yang tiada konduktor homogen dapat dipadankan pada kos yang setara.

Jenis konduktor dan komposisi bahan

Kabel elektrik atas dikelaskan mengikut bahan dan konfigurasi terkandas konduktor. Tiga keluarga konduktor kosong utama mendominasi pasaran, masing-masing sesuai dengan panjang rentang dan keadaan persekitaran yang berbeza.

ACSR, atau Aluminium Conductor Steel-Reinforced, terdiri daripada teras keluli terkandas sepusat yang dikelilingi oleh satu atau lebih lapisan helai aluminium 1350-H19 yang ditarik keras. Teras keluli, tersedia dalam pelbagai gred kekuatan, menyediakan tulang belakang tegangan, manakala lapisan aluminium membawa arus dengan kekonduksian 61.2% IACS (Piawaian Tembaga Annealed Antarabangsa). Konduktor ACSR "Drake" biasa, dengan terkandas 26/7 dan diameter keseluruhan 28.14 mm, mencapai kekuatan tegangan terkadar sebanyak 140 kN dan ampacity berterusan kira-kira 907 amp pada 75°C dalam keadaan angin sederhana.

AAAC, konduktor aloi semua aluminium, menggunakan pendawaian homogen wayar aloi aluminium 6201-T81. Aloi ini menggabungkan magnesium dan silikon untuk mencapai kekuatan tegangan kira-kira dua kali ganda daripada aluminium konduktor elektrik 1350-H19, menghapuskan keperluan untuk teras keluli. Konduktor AAAC dinyatakan di mana kakisan teras keluli menjadi kebimbangan, terutamanya dalam persekitaran pantai atau perindustrian dengan klorida bawaan udara atau sebatian sulfur. Ketiadaan teras keluli magnetik juga menghapuskan histerisis dan kehilangan arus pusar, mengurangkan rintangan AC dengan lebih kurang 3% hingga 5% berbanding ACSR berdiameter setara di bawah arus beban yang sama.

AAC, konduktor semua aluminium yang dibuat sepenuhnya daripada helai 1350-H19, menawarkan kekonduksian tertinggi per unit berat tetapi kekuatan tegangan terendah. Penggunaannya terhad kepada jarak pendek dalam rangkaian pengedaran bandar dan penitis bar bas dalam pencawang, di mana panjang rentang jarang melebihi 50 meter dan konduktor tidak diperlukan untuk menahan beban ais atau angin yang tinggi.

Prestasi perbandingan jenis konduktor piawai

Asas ampacity dan penarafan haba

Kapasiti kabel elektrik atas bukan nombor tetap tetapi fungsi keseimbangan haba antara kehilangan rintangan (pemanasan I²R), sinaran suria yang diserap oleh permukaan konduktor, penyejukan perolakan daripada angin, dan kehilangan haba sinaran ke langit. Piawaian IEEE 738 mentakrifkan persamaan terma keadaan mantap yang mengawal keseimbangan ini. Di bawah andaian terburuk matahari penuh, kelajuan angin rendah 0.6 m/s, dan suhu ambien 40°C, keluasan konduktor tertentu mungkin 25% hingga 35% lebih rendah daripada nilai yang diterbitkan untuk keadaan musim bunga sederhana.

Suhu pengendalian konduktor ialah pembolehubah bebas yang mengawal sag. Konduktor ACSR standard dinilai untuk operasi berterusan di 75°C, 90°C atau 100°C , dengan suhu yang lebih tinggi dibenarkan untuk keadaan beban puncak kecemasan atau jangka pendek. Di atas 93°C, helai aluminium mula menyepuhlindap, mengurangkan kekuatan tegangannya secara kekal. Konduktor rendah sag (HTLS) suhu tinggi seperti ACSS, G(Z)TACSR dan ACCR menggunakan teras aluminium atau komposit sepuhlindap sepenuhnya untuk beroperasi secara berterusan pada 150°C hingga 210°C , secara kasar menggandakan ampacity talian ACSR konvensional dalam laluan kanan yang sama tanpa memerlukan menara yang lebih tinggi.

Pengiraan ketegangan sag dan latihan rentetan

Hubungan antara tegangan konduktor dan sag dikawal oleh persamaan katenari, yang untuk jarak lebih pendek daripada 300 meter memudahkan kepada anggaran parabola dengan ralat yang boleh diterima. Proses reka bentuk bermula dengan konsep rentang penguasa, purata panjang rentang berwajaran yang mewakili kelakuan mekanikal yang setara bagi keseluruhan bahagian tegangan antara struktur buntu. Ketegangan awal memunggah pada suhu rentetan terendah, biasanya -20°C atau 0°F , mesti ditetapkan supaya konduktor tidak melebihi 60% daripada kekuatan pecah terkadarnya di bawah gabungan beban ais dan angin paling teruk yang ditentukan oleh Kod Keselamatan Elektrik Kebangsaan (NESC) untuk daerah pemuatan geografi.

Rentetan bukan sekadar menarik konduktor ke ketegangan sasaran dan mengapitnya. Konduktor mesti ditegangkan kepada nilai sag yang diukur dengan melihat merentasi rentang dengan transit atau sagometer digital, dengan konduktor pada suhu seragam yang diketahui. Untuk jarak 300 meter ACSR Drake pada 15°C tanpa angin atau ais, sasaran kendur adalah lebih kurang 6.5 meter , sepadan dengan ketegangan mendatar kira-kira 17 kN. Selepas dipotong, konduktor mengendur melalui pengendapan helai dan rayapan metalurgi, kehilangan kira-kira 10% hingga 15% daripada ketegangan awal sepanjang 1,000 jam pertama perkhidmatan . Kendur bertali mesti menjangka rayapan ini dengan menyasarkan ketegangan yang berlebihan 10% hingga 12%, yang kemudiannya mengendur kepada kendur akhir reka bentuk.

Getaran Aeolian dan redaman konduktor

Apabila angin lamina yang stabil melintasi kabel atas pada kelajuan antara 1 dan 7 m/s, ia melepaskan vorteks Kármán berselang-seli yang mendorong daya angkat kitaran berserenjang dengan arah angin. Getaran aeolian ini, dengan frekuensi biasanya dalam julat 3 hingga 150 Hz , memaksa konduktor untuk berayun pada atau berhampiran frekuensi resonans semula jadi bagi salah satu mod getarannya yang lebih tinggi. Tegangan lentur yang terhasil pada pengapit ampaian konduktor, di mana gerakan dihalang sepenuhnya, melebihi had ketahanan lesu aluminium kira-kira 57 MPa (8.3 ksi) dalam berpuluh-puluh juta kitaran, yang terkumpul dalam masa beberapa hari semasa keadaan angin yang stabil.

Mitigasi menggunakan peredam Stockbridge, peredam getaran lingkaran (secara rasmi dipanggil peredam tulang anjing atau elemen peredam bentuk lingkaran), atau peredam spacer pada konduktor yang digabungkan. Peredam Stockbridge yang ditala dengan betul mempunyai dua frekuensi resonans yang menahan frekuensi konduktor dominan, menyerap tenaga getaran melalui geseran dalaman helai kabel penghantarnya. Jarak peletakan peredam dari pengapit tidak sewenang-wenangnya; ia mesti diletakkan pada satu titik di mana amplitud antinod getaran konduktor adalah mencukupi untuk merangsang peredam. Untuk talian 132 kV biasa dengan konduktor ACSR Lynx, peredam pertama diletakkan 0.8 hingga 1.2 meter dari mulut pengapit ampaian , dengan peredam kedua pada 1.8 meter pada rentang melebihi 400 meter.

Pelepasan korona dan pengurusan medan elektromagnet

Pada voltan penghantaran 230 kV dan ke atas, kecerunan medan elektrik pada permukaan konduktor menghampiri kekuatan pecahan dielektrik udara, lebih kurang 30 kV/cm pada aras laut . Apabila kecerunan permukaan melebihi kira-kira 17 kV/cm dalam keadaan kering, nyahcas korona bermula, menghasilkan bunyi yang boleh didengar, gangguan radio (RI) dalam jalur 0.5 hingga 1.6 MHz, dan kehilangan kuasa. Kecerunan permukaan adalah berkadar songsang dengan jejari konduktor; satu konduktor bagi setiap fasa mestilah mempunyai diameter sekurang-kurangnya 24 mm untuk 230 kV dan 32 mm untuk 345 kV untuk mengekalkan kecerunan di bawah ambang korona.

Konduktor yang digabungkan menangani masalah ini dengan membelah arus fasa antara dua, tiga atau empat subkonduktor yang dipisahkan oleh pengatur jarak tegar pada selang 30 hingga 45 cm. Ikatan berkembar pengalir diameter 28 mm pada 400 kV mencapai diameter setara kira-kira 180 mm dari segi pengagihan medan elektrik, mengurangkan kecerunan permukaan dengan faktor kira-kira tiga berbanding dengan satu konduktor dengan jumlah luas keratan rentas yang setara. Jarak spacer dipilih untuk mengoptimumkan keseimbangan antara keseragaman medan elektrik dan kestabilan mekanikal terhadap ayunan sub-span, fenomena di mana konduktor arah angin melindungi konduktor ke bawah, mewujudkan ketidakstabilan aerodinamik yang memacu gerakan sebatan elips.

Pemilihan penebat dan penyelarasan jarak menjalar

Konduktor overhed disokong secara mekanikal dan diasingkan secara elektrik dengan tali penggantungan atau penebat ketegangan. Jarak rayapan penebat, panjang laluan di sepanjang permukaan penebat dari pemasangan hujung bertenaga ke hujung yang dibumikan, mestilah mencukupi untuk mengelakkan kilatan kilat di bawah keadaan basah yang tercemar. Jarak rayapan khusus ditakrifkan dalam mm rayapan per kV voltan fasa-ke-fasa sistem. Untuk kawasan pencemaran cahaya, rayapan tertentu 16 mm/kV adalah memadai; untuk semburan garam industri berat atau pantai, 31 mm/kV atau lebih ditentukan, dicapai dengan menggunakan tali yang lebih panjang atau penebat jenis kabus dengan skirt yang lebih dalam.

Penebat polimer komposit dengan bangsal getah silikon telah menggantikan porselin dan rentetan penutup dan pin kaca untuk pembinaan baharu pada 138 kV dan ke bawah, dan semakin diterima pada tahap EHV. Permukaan hidrofobik getah silikon menyebabkan air menjadi manik dan bukannya membentuk filem konduktif berterusan, menekan arus bocor dengan faktor 10 hingga 100 berbanding permukaan porselin hidrofilik di bawah keadaan pencemaran yang sama. Mod kegagalan utama penebat komposit ialah keretakan rapuh rod teras gentian kaca akibat serangan asid atau kemasukan air pada pengedap pemasangan hujung yang rosak, mekanisme yang memerlukan pemantauan berterusan beban mekanikal dan pemeriksaan visual integriti perumahan.

Penyambungan, penghujung mati dan keserasian perkakasan

Keseluruhan talian atas hanya boleh dipercayai seperti sambungan dan penamatnya. Sambungan rentang pertengahan, diperlukan untuk panjang konduktor yang melebihi kapasiti gelendong standard, mesti mencapai kekuatan tegangan sekurang-kurangnya 95% daripada kekuatan pecah terkadar konduktor dan rintangan elektrik tidak melebihi 75% daripada panjang bersamaan konduktor yang tidak bercantum. Sambungan tegangan penuh jenis mampatan, digunakan dengan acuan heksagon dan penekan hidraulik yang berkemampuan 700 bar (10,000 psi), adalah standard industri. Badan sambungan ialah lengan aluminium yang meluncur ke atas helai aluminium dan lengan keluli berasingan yang mencengkam teras keluli. Kedua-dua lengan digoyang secara bebas; lengan keluli terlebih dahulu, memindahkan ketegangan berkadar penuh merentasi teras, diikuti oleh lengan aluminium, yang membawa arus di sekeliling sambungan keluli.

Hakisan galvanik dwilogam berlaku di mana-mana helai konduktor aluminium menyentuh perkakasan aloi kuprum dengan kehadiran elektrolit. Aluminium, sebagai anodik kepada tembaga, menghakis secara korban. Semua penyambung mampatan dan badan pengapit untuk konduktor aluminium mesti dibuat daripada aloi aluminium atau bersalut timah sepenuhnya untuk mengelakkan sentuhan terus kuprum-ke-aluminium. Pada struktur buntu pencawang di mana talian atas aluminium beralih kepada kerja bas tembaga, lug peralihan yang dikimpal geseran dwilogam mengasingkan kedua-dua logam sambil menyediakan laluan arus rintangan rendah yang dinilai untuk arus litar pintas penuh talian.