Aluminium-ledare stålförstärkt kabel

Provtvärsnitt av högspänningskraft (pylon) linje, som visar 1 tråd (7 trådar) av stål omgiven av 4 koncentriska lager av aluminium.

Aluminiumledare stålförstärkt kabel ( ACSR ) är en typ av hög kapacitet, höghållfast tvinnad ledare som vanligtvis används i luftledningar . De yttre trådarna är av högrent aluminium , vald för sin goda ledningsförmåga, låga vikt, låga kostnad, motståndskraft mot korrosion och anständigt motstånd mot mekanisk spänning. Mittsträngen är av stål för extra styrka för att stödja ledarens vikt. Stål är av högre hållfasthet än aluminium vilket möjliggör ökad mekanisk spänning på ledaren. Stål har också lägre elastisk och oelastisk deformation (permanent förlängning) på grund av mekanisk belastning (t.ex. vind och is) samt en lägre termisk expansionskoefficient under strömbelastning. Dessa egenskaper gör att ACSR sjunker betydligt mindre än ledare helt i aluminium. Enligt namnkonventionen International Electrotechnical Commission (IEC) och CSA Group (tidigare Canadian Standards Association eller CSA) betecknas ACSR A1/S1A.

Design

Aluminiumlegeringen och tempereringen som används för de yttre trådarna i USA och Kanada är normalt 1350-H19 och på andra håll är 1370-H19, var och en med 99,5+% aluminiuminnehåll. Aluminiumets temperament definieras av aluminiumversionens suffix, som i fallet med H19 är extra hårt. För att förlänga livslängden på ståltrådarna som används för ledarkärnan är de normalt galvaniserade eller belagda med annat material för att förhindra korrosion. Diametrarna på trådarna som används för både aluminium- och ståltrådarna varierar för olika ACSR-ledare.

ACSR-kabeln beror fortfarande på aluminiumets draghållfasthet; det är bara förstärkt av stålet. På grund av detta är dess kontinuerliga drifttemperatur begränsad till 75 °C (167 °F), den temperatur vid vilken aluminium börjar härda och mjukna med tiden. För situationer där högre driftstemperaturer krävs, aluminiumledarstålstödd ( ACSS ) användas.

Stålkärna

Standardstålkärnan som används för ACSR är galvaniserat stål, men zink, 5 % eller 10 % aluminiumlegering och spårmiskmetallbelagt stål (ibland kallat av handelsnamnen Bezinal eller Galfan ) och aluminiumbelagt stål (ibland kallat av handels- namn Alumoveld) finns också tillgängliga. Stål med högre hållfasthet kan också användas.

I USA är det vanligaste stålet betecknat GA2 för galvaniserat stål (G) med klass A-zinkbeläggningstjocklek (A) och regelbunden hållfasthet (2). Klass C zinkbeläggningar är tjockare än klass A och ger ökat korrosionsskydd på bekostnad av minskad draghållfasthet. En regelbunden hållfast galvaniserad stålkärna med klass C beläggningstjocklek skulle betecknas GC2. Höghållfasta stålsorter betecknas höghållfast (3), extra höghållfast (4) och ultrahöghållfast (5). En ultrahöghållfast galvaniserad stålkärna med klass A beläggningstjocklek skulle betecknas GA5. Användningen av högre hållfasta stålkärnor ökar draghållfastheten hos ledaren vilket möjliggör högre spänningar vilket resulterar i lägre häng.

Zink-5% aluminium mischmetal beläggningar är betecknade med ett "M". Dessa beläggningar ger ökat korrosionsskydd och värmebeständighet jämfört med enbart zink. Regelbunden hållfasthet Klass "A" mischmetall tjocklek viktbelagt regelbundet hållfast stål skulle betecknas MA2.

Aluminiumklädd stål betecknas som "AW". Aluminiumklädd stål ger ökat korrosionsskydd och konduktivitet på bekostnad av minskad draghållfasthet. Aluminiumklädd stål är vanligtvis specificerat för kustnära applikationer.

IEC och CSA använder en annan namnkonvention. Det vanligaste stålet är S1A för S1 regelbundet hållfast stål med klass A-beläggning. S1-stål har något lägre draghållfasthet än det vanliga hållfasthetsstålet som används i USA. Enligt de kanadensiska CSA-standarderna klassificeras S2A-hållfasthetsgraden som höghållfast stål. Motsvarande material enligt ASTM-standarderna är GA2-hållfasthetsgraden och kallas Regular Strength-stål. Hållfasthetsgraden CSA S3A är klassificerad som extra höghållfast stål. Motsvarande material enligt ASTM-standarderna är GA3-hållfasthetsgraden som kallas High Strength. Dagens CSA-standarder för överliggande elektriska ledare erkänner ännu inte officiellt ASTM-motsvarigheten GA4 eller GA5. Dagens CSA-standarder erkänner ännu inte officiellt ASTM "M"-familjen av zinklegeringsbeläggningsmaterial. Kanadensiska företag använder ledare byggda med de högre hållfasta stålen med "M" zinklegeringsbeläggning.

Lägga

En ledares läggning bestäms av fyra förlängda fingrar; "höger" eller "vänster" riktningen för läggningen bestäms beroende på om den matchar fingerriktningen från höger respektive vänster hand. Overhead-aluminium (AAC, AAAC, ACAR) och ACSR-ledare i USA tillverkas alltid med det yttre ledarskiktet med höger läggning. När man går mot mitten har varje lager omväxlande läggningar. Vissa ledartyper (t.ex. kopparledning, OPGW , stål EHS) är olika och har vänster läggning på ytterledaren. Vissa sydamerikanska länder anger vänster läggning för det yttre ledarskiktet på deras ACSR, så de lindas annorlunda än de som används i USA.

Dimensionering

ACSR-ledare finns i många specifika storlekar, med en eller flera centrala ståltrådar och generellt större mängder aluminiumtrådar. Även om de används sällan, finns det vissa ledare som har fler ståltrådar än aluminiumtrådar. En ACSR-ledare kan delvis betecknas med sin trådning, till exempel kommer en ACSR-ledare med 72 aluminiumtrådar med en kärna av 7 ståltrådar att kallas 72/7 ACSR-ledare. Kablar sträcker sig generellt från #6 AWG ("6/1" – sex yttre aluminiumledare och en stålförstärkningsledare) till 2167 kcmil ("72/7" – sjuttiotvå yttre aluminiumledare och sju armeringsledare av stål).

Namnkonvention

För att undvika förvirring på grund av de många kombinationerna av trådning av stål- och aluminiumtrådarna, används kodord för att specificera en specifik ledareversion. I Nordamerika används fågelnamn för kodorden medan djurnamn används på andra håll. Till exempel i Nordamerika är Grosbeak en 322,3 mm ² (636 kcmil) ACSR-ledare med 26/7 aluminium/stål-trådning medan Egret har samma totala aluminiumstorlek ( 322,3 mm ² , 636 kcmil-ledare) men med 30/19 aluminium/ Stålstrandning. Även om antalet aluminiumtrådar är olika mellan Grosbeak och Egret, används olika storlekar på aluminiumtrådarna för att kompensera förändringen i antalet trådar så att den totala mängden aluminium förblir densamma. Skillnader i antalet stålsträngar resulterar i varierande vikter av ståldelen och resulterar också i olika totala ledardiametrar. De flesta verktyg standardiserar på en specifik ledare version när olika versioner av samma mängd aluminium för att undvika problem relaterade till olika storlekar hårdvara (som skarvar). På grund av de många olika storlekarna som är tillgängliga hoppar verktyg ofta över några av storlekarna för att minska sitt lager. De olika strandningsversionerna resulterar i olika elektriska och mekaniska egenskaper.

Ampacity betyg

Tillverkare av ACSR tillhandahåller vanligtvis ampacitetstabeller för en definierad uppsättning antaganden. Enskilda verktyg tillämpar normalt olika klassificeringar på grund av att olika antaganden används (vilket kan vara ett resultat av högre eller lägre strömstyrka än vad tillverkarna tillhandahåller). Signifikanta variabler inkluderar vindhastighet och riktning i förhållande till ledaren, solintensitet, emissivitet, omgivningstemperatur och maximal ledaretemperatur.

Ledande egenskaper

I trefasfördelning av elektrisk kraft måste ledare utformas för att ha låg elektrisk impedans för att säkerställa att strömförlusten i kraftfördelningen är minimal. Impedans är en kombination av två storheter: motstånd och reaktans. Resistanserna hos ASCR-ledare är tabellerade för olika ledarkonstruktioner av tillverkaren vid DC- och AC-frekvenser under antagande av specifika driftstemperaturer. Anledningarna till att motståndet förändras med frekvensen beror till stor del på hudeffekten , närhetseffekten och hysteresförlust . Beroende på geometrin hos ledaren som särskiljs av ledarens namn, har dessa fenomen olika grader av att påverka det totala motståndet i ledaren vid AC vs DC-frekvens.

Ofta inte tabellerad med ACSR-ledare är den elektriska reaktansen hos ledaren, vilket till stor del beror på avståndet mellan de andra strömförande ledarna och ledarradien. Ledarens reaktans bidrar avsevärt till den totala strömmen som behöver färdas genom ledningen och bidrar därmed till resistiva förluster i ledningen. För mer information om överföringsledningsinduktans och kapacitans, se elektrisk kraftöverföring och luftledning .

Hudeffekt

Hudeffekten minskar tvärsnittsarean i vilken strömmen går genom ledaren när AC-frekvensen ökar . För växelström flyter det mesta (63%) av den elektriska strömmen mellan ytan och huddjupet, δ, vilket beror på strömfrekvensen och ledarens elektriska (konduktivitet) och magnetiska egenskaper. Denna minskade area får motståndet att stiga på grund av det omvända förhållandet mellan motstånd och ledartvärsnittsarea. Hudeffekten gynnar designen, eftersom den gör att strömmen koncentreras mot det lågresistiva aluminiumet på utsidan av ledaren. För att illustrera effekten av hudeffekten inkluderar standarden American Society for Testing and Materials (ASTM) stålkärnans ledningsförmåga vid beräkning av ledarens DC- och AC-resistans, men standarderna (IEC) och The CSA Group gör det inte .

Närhetseffekt

I en ledare (ACSR och andra typer) som bär växelström, om strömmar flyter genom en eller flera andra närliggande ledare, kommer fördelningen av ström inom varje ledare att begränsas till mindre områden. Den resulterande strömträngningen betecknas som närhetseffekten. Denna trängsel ger en ökning av kretsens effektiva AC-resistans, med effekten vid 60 Hertz större än vid 50 Hertz. Geometri, konduktivitet och frekvens är faktorer för att bestämma mängden närhetseffekt.

Närhetseffekten är resultatet av ett förändrat magnetfält som påverkar fördelningen av en elektrisk ström som flyter i en elektrisk ledare på grund av elektromagnetisk induktion. När en växelström (AC) flyter genom en isolerad ledare skapar den ett tillhörande magnetiskt växelfält runt den. Det alternerande magnetfältet inducerar virvelströmmar i intilliggande ledare, vilket förändrar den totala fördelningen av ström som flyter genom dem.

Resultatet är att strömmen koncentreras till de områden av ledaren som är längst bort från närliggande ledare som leder ström i samma riktning.

Förlust av hysteres

Hysteres i en ACSR-ledare beror på att atomdipolerna i stålkärnan ändrar riktning på grund av induktion från 60 eller 50 Hertz AC-strömmen i ledaren. Hysteresförluster i ACSR är oönskade och kan minimeras genom att använda ett jämnt antal aluminiumskikt i ledaren. På grund av den upphävande effekten av magnetfältet från de motsatta ledarna (höger och vänster) för två aluminiumskikt är det betydligt mindre hysteresförlust i stålkärnan än vad det skulle vara för ett eller tre aluminiumskikt där den magnetiska fältet tar inte bort.

Hystereseffekten är försumbar på ACSR-ledare med jämnt antal aluminiumskikt och därför beaktas den inte i dessa fall. För ACSR-ledare med ett udda antal aluminiumskikt används dock en magnetiseringsfaktor för att exakt beräkna AC-resistansen. Korrigeringsmetoden för enkelskikts ACSR är annorlunda än den som används för treskiktsledare. På grund av applicering av magnetiseringsfaktorn har en ledare med ett udda antal skikt ett AC-resistans något högre än en ekvivalent ledare med ett jämnt antal skikt.

På grund av högre hysteresförluster i stålet och tillhörande uppvärmning av kärnan, kommer en udda skiktskonstruktion att ha en lägre ampacitetsklassning (upp till 10 % minskning) än en likvärdig konstruktion med jämna skikt.

Alla standard ACSR-ledare mindre än Partridge ( 135,2 mm ² {266,8 kcmil} 26/7 Aluminium/Stål) har bara ett lager på grund av sina små diametrar så hysteresförlusterna kan inte undvikas.

Icke-standardiserade konstruktioner

ACSR används ofta på grund av sin effektiva och ekonomiska design. Variationer av standard (ibland kallad traditionell eller konventionell) ACSR används i vissa fall på grund av de speciella egenskaper de erbjuder som ger tillräckliga fördelar för att motivera deras extra kostnad. Specialledare kan vara mer ekonomiska, erbjuda ökad tillförlitlighet eller ge en unik lösning på ett annars svårt, eller omöjligt, designproblem.

Huvudtyperna av speciella ledare inkluderar "trapesformad trådledare" (TW) - en ledare med aluminiumsträngar med en trapetsform snarare än rund) och "självdämpande" (SD), ibland kallad "självdämpande ledare" (SDC) . En liknande, högre temperaturledare gjord av glödgat aluminium kallas "aluminium conductor steel supported" (ACSS) är också tillgänglig.

Trapetsformad tråd

Trapetsformad tråd (TW) kan användas i stället för rund tråd för att "fylla i luckorna" och ha en 10–15 % mindre total diameter för samma tvärsnittsarea eller en 20–25 % större tvärsnittsarea. tvärsnittsarea för samma totala diameter.

Ontario Hydro (Hydro One) introducerade trapetsformade ACSR-ledarkonstruktioner på 1980-talet för att ersätta befintliga ACSR-konstruktioner med rund tråd (de kallade dem kompakta ledare; dessa ledartyper kallas nu ACSR/TW). Ontario Hydros trapetsformade trådkonstruktioner (TW) använde samma stålkärna men ökade aluminiuminnehållet i ledaren för att matcha den totala diametern på de tidigare rundtrådskonstruktionerna (de kunde sedan använda samma hårdvarukopplingar för både den runda och den runda tråden TW-ledare). Hydro Ones konstruktioner för sina trapetsformade ACSR/TW-ledare använder bara jämna antal aluminiumlager (antingen två lager eller fyra lager). De använder inte konstruktioner som har udda antal skikt (tre skikt) på grund av att konstruktionen medför högre hysteresförluster i stålkärnan. Även på 1980-talet introducerade Bonneville Power Administration (BPA) TW-konstruktioner där storleken på stålkärnan ökades för att bibehålla samma aluminium/stål-förhållande.

Självdämpande

Självdämpning (ACSR/SD) är en nästan föråldrad ledarteknik och används sällan för nya installationer. Det är en koncentriskt liggande tvinnad, självdämpande ledare utformad för att kontrollera vindinducerade ( eoliska ) vibrationer i luftledningar genom intern dämpning. Självdämpande ledare består av en central kärna av en eller flera runda ståltrådar omgivna av två lager trapetsformade aluminiumtrådar. Ett eller flera lager av runda aluminiumtrådar kan läggas till vid behov.

SD-ledare skiljer sig från konventionell ACSR genom att aluminiumtrådarna i de två första skikten är trapetsformade och dimensionerade så att varje aluminiumskikt bildar ett tvinnat rör som inte kollapsar på skiktet under vid spänning, utan bibehåller ett litet ringformigt gap mellan skikten . De trapetsformade trådskikten är separerade från varandra och från stålkärnan av de två mindre ringformiga springorna som tillåter rörelse mellan skikten. De runda aluminiumtrådsskikten är i tät kontakt med varandra och det underliggande trapetsformade trådskiktet.

Under vibration vibrerar stålkärnan och aluminiumskikten med olika frekvenser och stötdämpande resultat. Denna stötdämpning är tillräcklig för att hålla alla eoliska vibrationer på en låg nivå. Användningen av trapetsformade trådar resulterar också i minskad ledardiameter för ett givet AC-motstånd per mil.

De stora fördelarna med ACSR/SD är:

Hög självdämpning tillåter användning av högre obelastade spänningsnivåer, vilket resulterar i minskad maximal nedhängning och därmed minskad strukturhöjd och/eller färre strukturer per km [eller per mil].
Minskad diameter för ett givet växelströmsmotstånd vilket ger minskad struktur tvärgående vind- och isbelastning.

De största nackdelarna med ACSR/SD är:

Det kommer troligen att bli ökade installations- och klippningskostnader på grund av speciella hårdvarukrav och specialiserade strängningsmetoder.
Ledarkonstruktionen kräver alltid användning av en stålkärna även i lätta lastutrymmen.

Aluminium-ledarstål stödd

Aluminium-ledare stålstödd (ACSS) ledare verkar visuellt likna standard ACSR men aluminiumtrådarna är helt glödgade. Glödgning av aluminiumtrådarna minskar kompositledarhållfastheten, men efter installation resulterar permanent förlängning av aluminiumtrådarna i att en mycket större andel av ledarspänningen bärs i stålkärnan än vad som är sant för standard ACSR. Detta i sin tur ger minskad termisk töjning av komposit och ökad självdämpning.

De stora fördelarna med ACSS är:

Eftersom aluminiumtrådarna är "dödmjuka" till att börja med, kan ledaren drivas vid temperaturer över 200 °C (392 °F) utan förlust av styrka.
Eftersom spänningen i aluminiumtrådarna normalt är låg är ledarens självdämpning av eoliska vibrationer hög och den kan installeras vid höga obelastade spänningsnivåer utan behov av separata dämpare av Stockbridge-typ.

De största nackdelarna med ACSS är:

I områden med stor isbelastning kan den reducerade hållfastheten hos denna ledare i förhållande till standard ACSR göra den mindre önskvärd.
Mjukheten hos de glödgade aluminiumtrådarna och det eventuella behovet av förspänning före klippning och hängning kan öka installationskostnaderna.

Tvinnat par

Twisted pair (TP) ledare (ibland kallad med handelsnamnen T-2 eller VR) har de två underledarna tvinnade (vanligtvis med vänster läggning) runt varandra, vanligtvis med en läggningslängd på cirka tre meter (nio). fötter). ^{[ misslyckad verifiering ]}

Ledartvärsnittet av TP är en roterande "figur-8". Underledarna kan vara vilken typ av standard ACSR-ledare som helst, men ledarna måste matcha varandra för att ge mekanisk balans.

De stora fördelarna med TP-ledare är:

Användningen av TP-ledaren minskar benägenheten att is/vind galopperar med start på linjen. I en isstorm när isavlagringar börjar samlas längs ledaren förhindrar den tvinnade ledarprofilen att en enhetlig vingprofil bildas. Med en vanlig rund ledare resulterar vingformen i upplyftning av ledaren och initiering av galopprörelsen. TP-ledarprofilen och denna frånvaro av den enhetliga vingformen hindrar initieringen av galopprörelsen. Minskningen av rörelsen under isbildningshändelser hjälper till att förhindra att fasledarna kommer i kontakt med varandra vilket orsakar ett fel och ett tillhörande avbrott i den elektriska kretsen. Med minskningen av stora amplitudrörelser kan närmare fasavstånd eller längre spännlängder användas. Detta kan i sin tur leda till lägre byggkostnad. TP-ledare installeras i allmänhet endast i områden som normalt är utsatta för vindhastighet och frystemperaturer som är förknippade med isuppbyggnad.
Den icke runda formen på denna ledare minskar amplituden av eoliska vibrationer och den åtföljande utmattningsinducerande spänningar nära skarvar och ledningsfästeklämmor. TP-ledare kan rotera försiktigt för att avleda energi. Som ett resultat kan TP-ledare installeras till högre spänningsnivåer och minskade häng.

De största nackdelarna med TP-ledare är:

Det icke-runda tvärsnittet ger vind- och isbelastningar som är cirka 11 % högre än standardledare med samma AC-motstånd per mil.
Installation av, och hårdvara för denna ledare, kan vara något dyrare än standardledare.

Skarvning

Många elektriska kretsar är längre än ledaren som kan finnas på en rulle. Som ett resultat är skarvning ofta nödvändig för att sammanfoga ledare för att ge önskad längd. Det är viktigt att skarven inte är den svaga länken. En skarv (skarv) måste ha hög fysisk hållfasthet tillsammans med en hög märkström. Inom begränsningarna för den utrustning som används för att installera ledaren från spolarna, köps i allmänhet en tillräckligt lång ledare som rullen kan ta emot för att undvika fler skarvar än vad som är absolut nödvändigt.

Skarvar är utformade för att köras svalare än ledaren. Temperaturen på skarven hålls lägre genom att ha en större tvärsnittsarea och därmed mindre elektriskt motstånd än ledaren. Värme som genereras vid skarven avleds också snabbare på grund av skarvens större diameter.

Fel på skarv är ett problem, eftersom ett fel på bara en skarv kan orsaka ett avbrott som påverkar en stor mängd elektrisk belastning.

De flesta skarvar är skarvar av kompressionstyp ( krympningar ). Dessa skarvar är billiga och har goda hållfasthets- och konduktivitetsegenskaper.

Vissa skarvar, kallade automatik, använder en käftliknande design som är snabbare att installera (kräver inte den tunga kompressionsutrustningen) och används ofta under stormrestaurering när installationshastigheten är viktigare än skarvens långsiktiga prestanda.

Orsakerna till skarvfel är många. Några av de huvudsakliga fellägena är relaterade till installationsproblem, såsom: otillräcklig rengöring (trådborstning) av ledaren för att eliminera aluminiumoxidskiktet (som har ett högt motstånd {är en dålig elektrisk ledare}), felaktig applicering av ledande fett , felaktig kompressionskraft, felaktiga kompressionsplatser eller antal kompressioner.

Skarvfel kan också bero på eoliska vibrationsskador eftersom de små vibrationerna i ledaren med tiden orsakar skador (brott) av aluminiumtrådarna nära skarvens ändar.

Särskilda skarvar (tvådelade skarvar) krävs på ledare av SD-typ eftersom gapet mellan det trapetsformade aluminiumskiktet och stålkärnan förhindrar att kompressionskraften på skarven till stålkärnan är tillräcklig. En tvådelad design har en skarv för stålkärnan och en längre och större diameter skarv för aluminiumdelen. Den yttre skarven måste först träs på och skjutas längs med ledaren och stålskarven komprimeras först och sedan skjuts den yttre skarven tillbaka över den mindre skarven och trycks sedan ihop. Denna komplicerade process kan lätt resultera i en dålig skarv.

Skarvar kan också misslyckas delvis, där de har högre motstånd än förväntat, vanligtvis efter en tid i fält. Dessa kan detekteras med hjälp av värmekamera, termiska sonder och direkta resistansmätningar, även när ledningen är strömsatt. Sådana skarvar kräver vanligtvis utbyte, antingen på strömlös linje, genom att göra en tillfällig förbikoppling för att ersätta den, eller genom att lägga till en stor skarv över den befintliga skarven, utan att koppla från.

Ledarbeläggningar

När ACSR är nytt har aluminiumet en blank yta som har låg emissivitet för värmestrålning och låg absorption av solljus. När ledaren åldras blir färgen matt grå på grund av oxidationsreaktionen av aluminiumtrådarna. I miljöer med hög förorening kan färgen bli nästan svart efter många års exponering för element och kemikalier. För åldrad ledare ökar emissiviteten för värmestrålning och absorptionen av solljus. Ledarbeläggningar finns tillgängliga som har hög emissivitet för hög värmestrålning och låg absorption av solljus. Dessa beläggningar skulle appliceras på nya ledare under tillverkningen. Dessa typer av beläggningar har förmågan att potentiellt öka ACSR-ledarens strömklassificering. För samma mängd strömstyrka kommer temperaturen på samma ledare att vara lägre på grund av den bättre värmeavledningen av beläggningen med högre emissivitet.

Se även