Freileitungskabel: Typen, Auswahl und Installation

Das Richtige auswählen elektrisches Oberleitungskabel Für eine Übertragungs- oder Verteilungsleitung müssen drei voneinander abhängige Variablen ausgeglichen werden: Dauerstrombelastbarkeit, mechanische Zugfestigkeit und Langzeitdurchhangverhalten bei maximaler Betriebstemperatur . Für die meisten Mittel- und Hochspannungsanwendungen bleibt der stahlverstärkte Aluminiumleiter (ACSR) die Standardwahl, da der verzinkte Stahlkern etwa 55 bis 65 % der Gesamtspannung trägt, während die Aluminiumlitzen den Strom tragen, eine Funktionstrennung, die kein homogener Leiter zu gleichen Kosten erreichen kann.

Leitertypen und Materialzusammensetzung

Elektrische Freileitungen werden nach den Materialien und der Verseilkonfiguration des Leiters klassifiziert. Die drei primären blanken Leiterfamilien dominieren den Markt und sind jeweils für unterschiedliche Spannweiten und Umgebungsbedingungen geeignet.

ACSR (Aluminium Conductor Steel-Reinforced) besteht aus einem konzentrischen verseilten Stahlkern, der von einer oder mehreren Schichten hartgezogener 1350-H19-Aluminiumlitzen umgeben ist. Der in verschiedenen Festigkeitsklassen erhältliche Stahlkern bildet das zugfeste Rückgrat, während die Aluminiumschichten den Strom mit einer Leitfähigkeit von tragen 61,2 % IACS (Internationaler Standard für geglühtes Kupfer). Ein typischer ACSR-Leiter „Drake“ mit einer 26/7-Verseilung und einem Gesamtdurchmesser von 28,14 mm erreicht eine Nennzugfestigkeit von 140 kN und eine Dauerstrombelastbarkeit von ca. 907 Ampere bei 75 °C bei mäßigem Wind.

AAAC, der Vollaluminiumlegierungsleiter, verwendet eine homogene Verseilung aus 6201-T81-Aluminiumlegierungsdrähten. Diese Legierung enthält Magnesium und Silizium, um eine Zugfestigkeit zu erreichen, die etwa doppelt so hoch ist wie die des elektrischen Leiteraluminiums 1350-H19, sodass kein Stahlkern erforderlich ist. AAAC-Leiter werden dort spezifiziert, wo Korrosion des Stahlkerns ein Problem darstellt, insbesondere in Küsten- oder Industrieumgebungen mit Chloriden oder Schwefelverbindungen in der Luft. Das Fehlen eines magnetischen Stahlkerns eliminiert außerdem Hysterese- und Wirbelstromverluste, wodurch sich der Wechselstromwiderstand um etwa 10 % verringert 3 % bis 5 % im Vergleich zu einem ACSR mit gleichem Durchmesser unter dem gleichen Laststrom.

AAC, der Vollaluminiumleiter, der vollständig aus 1350-H19-Litzen besteht, bietet die höchste Leitfähigkeit pro Gewichtseinheit, aber die niedrigste Zugfestigkeit. Seine Verwendung ist auf kurze Spannweiten in städtischen Verteilungsnetzen und Sammelschienenverteilern in Umspannwerken beschränkt, wo die Spannweite selten 50 Meter überschreitet und der Leiter keinen hohen Eis- oder Windlasten standhalten muss.

Vergleichende Leistung von Standardleitertypen

Grundlagen zu Strombelastbarkeit und thermischer Bewertung

Die Strombelastbarkeit eines elektrischen Freikabels ist keine feste Zahl, sondern eine Funktion des Wärmegleichgewichts zwischen Widerstandsverlusten (I²R-Erwärmung), von der Leiteroberfläche absorbierter Sonnenstrahlung, konvektiver Abkühlung durch Wind und Strahlungswärmeverlust an den Himmel. Der IEEE 738-Standard definiert die stationäre thermische Gleichung, die dieses Gleichgewicht regelt. Unter der Worst-Case-Annahme von voller Sonne, geringer Windgeschwindigkeit von 0,6 m/s und einer Umgebungstemperatur von 40 °C kann die Strombelastbarkeit eines bestimmten Leiters betragen 25 % bis 35 % niedriger als der veröffentlichte Wert für gemäßigte Frühlingsbedingungen.

Die Betriebstemperatur des Leiters ist die unabhängige Variable, die den Durchhang steuert. Standard-ACSR-Leiter sind für den Dauerbetrieb ausgelegt 75°C, 90°C oder 100°C , wobei höhere Temperaturen für Notfälle oder kurzfristige Spitzenlastbedingungen zulässig sind. Ab 93 °C beginnen die Aluminiumstränge auszuglühen, wodurch ihre Zugfestigkeit dauerhaft abnimmt. Hochtemperatur-Low-Sag-Leiter (HTLS) wie ACSS, G(Z)TACSR und ACCR verwenden vollständig geglühte Aluminium- oder Verbundkerne für den kontinuierlichen Betrieb 150°C bis 210°C , wodurch sich die Strombelastbarkeit einer herkömmlichen ACSR-Leitung innerhalb derselben Wegerechte ungefähr verdoppelt, ohne dass höhere Masten erforderlich sind.

Berechnung der Durchhangspannung und Bespannungspraxis

Die Beziehung zwischen Leiterspannung und Durchhang wird durch die Kettengleichung bestimmt, die sich für Spannweiten von weniger als 300 Metern zu einer parabolischen Näherung mit akzeptablem Fehler vereinfacht. Der Entwurfsprozess beginnt mit dem Konzept der maßgeblichen Spannweite, einer gewichteten durchschnittlichen Spannweite, die das äquivalente mechanische Verhalten eines gesamten Spannungsabschnitts zwischen Sackgassenstrukturen darstellt. Typischerweise die anfängliche unbelastete Spannung bei der niedrigsten Bespannungstemperatur -20°C oder 0°F , muss so eingestellt werden, dass der Leiter unter der stärksten Eis- und Windlastkombination, die im National Electrical Safety Code (NESC) für den geografischen Belastungsbezirk festgelegt ist, 60 % seiner Nennbruchfestigkeit nicht überschreitet.

Beim Bespannen wird der Leiter nicht einfach auf eine Zielspannung gezogen und festgeklemmt. Der Leiter muss auf einen Durchhangwert gespannt sein, der durch Sichten über die Spannweite mit einem Durchgangs- oder digitalen Sagometer gemessen wird, wobei der Leiter eine bekannte, gleichmäßige Temperatur aufweist. Für eine 300-Meter-Spannweite von ACSR Drake bei 15 °C ohne Wind oder Eis beträgt der Zieldurchhang ungefähr 6,5 Meter , was einer horizontalen Spannung von etwa 17 kN entspricht. Nach dem Einrasten entspannt sich der Leiter durch Litzensetzung und metallurgisches Kriechen und verliert dabei ca 10 % bis 15 % der Anfangsspannung während der ersten 1.000 Betriebsstunden . Der Durchhang der Bespannung muss diesem Kriechen zuvorkommen, indem er eine Überspannung von 10 bis 12 % anstrebt, die sich dann auf den endgültigen Durchhang der Konstruktion entspannt.

Äolische Schwingung und Leiterdämpfung

Wenn ein stetiger laminarer Wind mit Geschwindigkeiten zwischen 1 und 7 m/s über ein Freikabel streicht, löst er abwechselnde Kármán-Wirbel aus, die eine zyklische Auftriebskraft senkrecht zur Windrichtung induzieren. Diese äolische Schwingung mit Frequenzen typischerweise im Bereich von 3 bis 150 Hz zwingt den Leiter dazu, bei oder nahe einer natürlichen Resonanzfrequenz einer seiner höheren Schwingungsmoden zu schwingen. Die daraus resultierende Biegebeanspruchung an der Leiteraufhängeklemme, wo die Bewegung vollständig eingeschränkt ist, übersteigt die Ermüdungsfestigkeitsgrenze des Aluminiums von ca 57 MPa (8,3 ksi) innerhalb von mehreren zehn Millionen Zyklen, die sich bei konstanten Windverhältnissen innerhalb weniger Tage ansammeln.

Zur Schadensminderung werden Stockbridge-Dämpfer, Spiralschwingungsdämpfer (früher Dogbone-Dämpfer oder spiralförmige Dämpferelemente genannt) oder Abstandsdämpfer auf gebündelten Leitern eingesetzt. Ein richtig abgestimmter Stockbridge-Dämpfer verfügt über zwei Resonanzfrequenzen, die die dominante Leiterfrequenz umschließen und Vibrationsenergie durch die innere Reibung seiner Tragseilstränge absorbieren. Der Abstand der Dämpferpositionierung von der Klemme ist nicht willkürlich; Es muss an einem Punkt positioniert werden, an dem die Schwingungsamplitude des Leiters ausreicht, um den Dämpfer anzuregen. Bei einer typischen 132-kV-Leitung mit ACSR-Lynx-Leiter wird der erste Dämpfer platziert 0,8 bis 1,2 Meter vom Mund der Aufhängeklemme entfernt , mit einem zweiten Dämpfer bei 1,8 Metern bei Spannweiten über 400 Metern.

Koronaentladung und elektromagnetisches Feldmanagement

Bei Übertragungsspannungen von 230 kV und mehr nähert sich der elektrische Feldgradient an der Leiteroberfläche etwa der Durchschlagsfestigkeit von Luft an 30 kV/cm auf Meereshöhe . Wenn der Oberflächengradient unter trockenen Bedingungen etwa 17 kV/cm überschreitet, kommt es zu einer Koronaentladung, die hörbare Geräusche, Funkstörungen (RI) im 0,5- bis 1,6-MHz-Band und Leistungsverlust erzeugt. Der Oberflächengradient ist umgekehrt proportional zum Leiterradius; Ein einzelner Leiter pro Phase muss einen Durchmesser von mindestens haben 24 mm für 230 kV und 32 mm für 345 kV um den Gradienten unterhalb der Corona-Schwelle zu halten.

Gebündelte Leiter lösen dieses Problem, indem sie den Phasenstrom auf zwei, drei oder vier Unterleiter aufteilen, die durch starre Abstandshalter in Abständen von 30 bis 45 cm getrennt sind. Ein Doppelbündel aus Leitern mit 28 mm Durchmesser bei 400 kV erreicht einen Äquivalentdurchmesser von ca 180 mm Im Hinblick auf die elektrische Feldverteilung verringert sich der Oberflächengradient um etwa den Faktor drei im Vergleich zu einem einzelnen Leiter mit äquivalenter Gesamtquerschnittsfläche. Der Abstand der Abstandshalter wird so gewählt, dass das Gleichgewicht zwischen der Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes und der mechanischen Stabilität gegen Schwingungen unter der Spannweite optimiert wird. Dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem der Luvleiter den Leeleiter abschirmt und so eine aerodynamische Instabilität erzeugt, die elliptische Schlagbewegungen hervorruft.

Isolatorauswahl und Kriechstreckenkoordination

Die Freileitung wird durch Aufhängungs- oder Zugisolatorstränge mechanisch gestützt und elektrisch isoliert. Die Kriechstrecke des Isolators, also die Weglänge entlang der Isolatoroberfläche von der stromführenden Endarmatur bis zum geerdeten Ende, muss ausreichend sein, um einen Funkenüberschlag unter kontaminierten, nassen Bedingungen zu verhindern. Der spezifische Kriechweg wird in mm Kriechstrecke pro kV Phase-Phase-Spannung des Systems definiert. Für Gebiete mit leichter Verschmutzung gilt eine spezifische Kriechstrecke von 16 mm/kV ist ausreichend; für schwere Industrie- oder Küstensalznebel, 31 mm/kV oder mehr spezifiziert, erreicht durch die Verwendung längerer Schnüre oder Nebelisolatoren mit tieferen Rändern.

Verbundpolymerisolatoren mit Schirmen aus Silikonkautschuk haben bei Neubauten bei 138 kV und darunter weitgehend Porzellan- und Glas-Cap-and-Pin-Stränge verdrängt und erfreuen sich zunehmender Beliebtheit auf EHV-Ebene. Die hydrophobe Oberfläche von Silikonkautschuk führt dazu, dass Wasser abperlt, anstatt einen kontinuierlichen leitfähigen Film zu bilden, wodurch Leckströme unterdrückt werden einen Faktor von 10 bis 100 im Vergleich zu einer hydrophilen Porzellanoberfläche unter identischen Kontaminationsbedingungen. Die primäre Fehlerursache bei Verbundisolatoren ist Sprödbruch des Glasfaserkernstabs durch Säureangriff oder Wassereintritt an einer defekten Endverbindungsdichtung, ein Mechanismus, der eine kontinuierliche Überwachung der mechanischen Belastung und eine visuelle Inspektion der Gehäuseintegrität erfordert.

Verbindungs-, Sackgassen- und Hardware-Kompatibilität

Die gesamte Freileitung ist nur so zuverlässig wie ihre Verbindungen und Endverschlüsse. Mittelfeldverbindungen, die für Leiterlängen erforderlich sind, die die Standard-Rollenkapazitäten überschreiten, müssen eine Zugfestigkeit von mindestens erreichen 95 % der Nennbruchfestigkeit des Leiters und ein elektrischer Widerstand, der 75 % der äquivalenten Länge des nicht verbundenen Leiters nicht überschreitet. Kompressionsverbindungen mit voller Spannung, die mit einer Sechskantmatrize und einer hydraulischen Presse mit einem Druck von 700 bar (10.000 psi) aufgebracht werden, sind der Industriestandard. Der Gelenkkörper besteht aus einer Aluminiumhülse, die über die Aluminiumlitzen gleitet, und einer separaten Stahlhülse, die den Stahlkern umgreift. Die beiden Hülsen werden unabhängig voneinander gestaucht; Zuerst die Stahlhülse, die die volle Nennspannung über den Kern überträgt, gefolgt von der Aluminiumhülse, die den Strom um die Stahlverbindung herum leitet.

Bimetallische galvanische Korrosion tritt überall dort auf, wo Aluminiumleiterstränge in Gegenwart eines Elektrolyten mit Kupferlegierungsteilen in Kontakt kommen. Da das Aluminium gegenüber Kupfer anodisch ist, korrodiert es auf Opferbasis. Alle Kompressionsverbinder und Klemmkörper für Aluminiumleiter müssen aus einer Aluminiumlegierung bestehen oder vollständig verzinnt sein, um einen direkten Kontakt von Kupfer und Aluminium zu verhindern. Bei Sackgassenkonstruktionen von Umspannwerken, bei denen Aluminium-Freileitungen auf Kupferschienen übergehen, isoliert eine reibgeschweißte Bimetall-Übergangsfahne die beiden Metalle und sorgt gleichzeitig für einen Strompfad mit geringem Widerstand, der für den gesamten Kurzschlussstrom der Leitung ausgelegt ist.