가공 전기 케이블: 유형, 선택 및 설치

올바른 선택 머리 위 전기 케이블 송전선이나 배전선의 경우 세 가지 상호 의존 변수의 균형이 필요합니다. 연속 전류 전달 용량, 기계적 인장 강도 및 최대 작동 온도에서의 장기 새그 동작 . 대부분의 중압 및 고전압 응용 분야에서는 ACSR(강철 강화 알루미늄 도체)이 여전히 기본 선택으로 남아 있습니다. 왜냐하면 아연 도금 강철 코어가 전체 장력의 약 55%~65%를 전달하는 반면 알루미늄 연선은 전류를 전달하기 때문입니다. 이는 동일한 비용으로 균질한 도체와 일치할 수 없는 기능 분리입니다.

도체 유형 및 재료 구성

가공 전기 케이블은 도체의 재질과 연선 구성에 따라 분류됩니다. 세 가지 주요 베어 도체 제품군이 시장을 지배하고 있으며 각각은 서로 다른 범위 길이와 환경 조건에 적합합니다.

ACSR(Aluminum Conductor Steel-Reinforced)은 하나 이상의 하드 드로잉 1350-H19 알루미늄 연선으로 둘러싸인 동심 연선 강철 코어로 구성됩니다. 다양한 강도 등급으로 제공되는 강철 코어는 인장 백본을 제공하는 반면, 알루미늄 층은 다음과 같은 전도성으로 전류를 전달합니다. 61.2% IACS (국제 소둔 구리 표준). 26/7 연선 및 전체 직경 28.14mm의 일반적인 ACSR "Drake" 도체는 다음과 같은 정격 인장 강도를 달성합니다. 140kN 및 75°C에서 약 907A의 연속 전류용량 적당한 바람 조건에서.

100% 알루미늄 합금 도체인 AAAC는 6201-T81 알루미늄 합금 와이어의 균일한 연선을 사용합니다. 이 합금에는 마그네슘과 실리콘이 포함되어 있어 1350-H19 전기 전도체 알루미늄의 인장 강도의 약 두 배에 달하는 인장 강도를 달성하므로 강철 코어가 필요하지 않습니다. AAAC 도체는 강철 코어의 부식이 우려되는 곳, 특히 공기 중 염화물이나 황 화합물이 있는 해안 또는 산업 환경에서 지정됩니다. 또한 자기 강철 코어가 없기 때문에 히스테리시스 및 와전류 손실이 제거되어 AC 저항이 대략적으로 감소합니다. 등가 직경 ACSR 대비 3~5% 동일한 부하 전류에서.

전체가 1350-H19 연선으로 제작된 전체 알루미늄 도체인 AAC는 단위 중량당 전도성이 가장 높지만 인장 강도는 가장 낮습니다. 그 사용은 도시 배전망의 짧은 경간과 변전소 내의 모선 드로퍼로 제한됩니다. 이 경우 경간 길이는 거의 50미터를 초과하지 않으며 도체는 높은 얼음 하중이나 바람 하중을 견딜 필요가 없습니다.

표준 도체 유형의 성능 비교

전류용량 및 열 등급 기본 사항

가공 전기 케이블의 전류용량은 고정된 숫자가 아니라 저항 손실(I²R 가열), 도체 표면에 흡수된 태양 복사, 바람에 의한 대류 냉각 및 하늘로의 복사 열 손실 간의 열 균형의 함수입니다. IEEE 738 표준은 이러한 균형을 관리하는 정상 상태 열 방정식을 정의합니다. 태양이 가득하고 풍속이 0.6m/s로 낮고 주변 온도가 40°C라는 최악의 가정에서 주어진 도체의 전류용량은 다음과 같습니다. 25% ~ 35% 더 낮음 적당한 봄 조건에 대해 발표된 값보다.

도체 작동 온도는 처짐을 제어하는 ​​독립 변수입니다. 표준 ACSR 도체는 다음 조건에서 연속 작동하도록 등급이 지정되었습니다. 75°C, 90°C 또는 100°C , 비상 또는 단기 최대 부하 조건에서는 더 높은 온도가 허용됩니다. 93°C 이상에서는 알루미늄 스트랜드가 어닐링되기 시작하여 인장 강도가 영구적으로 감소합니다. ACSS, G(Z)TACSR 및 ACCR과 같은 고온 저전류(HTLS) 도체는 완전히 어닐링된 알루미늄 또는 복합 코어를 사용하여 150°C ~ 210°C , 더 높은 타워가 필요하지 않고 동일한 통행권 내에서 기존 ACSR 라인의 전류 용량을 대략 두 배로 늘립니다.

새그텐션 계산 및 스트링 연습

도체 장력과 처짐 사이의 관계는 현수선 방정식에 의해 결정됩니다. 이 방정식은 300미터보다 짧은 경간에서 허용 가능한 오류를 사용하여 포물선 근사로 단순화합니다. 설계 프로세스는 막다른 구조 사이의 전체 인장 섹션의 동등한 기계적 동작을 나타내는 가중 평균 스팬 길이인 지배 스팬 개념으로 시작됩니다. 일반적으로 가장 낮은 스트링 온도에서 초기 무부하 장력 -20°C 또는 0°F , 지리적 부하 구역에 대해 NESC(National Electrical Safety Code)에서 지정한 가장 심한 얼음 및 바람 하중 조합에서 도체가 정격 파괴 강도의 60%를 초과하지 않도록 설정해야 합니다.

스트링은 단순히 도체를 목표 장력으로 잡아당겨 고정하는 것이 아닙니다. 도체는 알려진 균일한 온도의 도체를 사용하여 트랜짓이나 디지털 사고미터를 사용하여 전체 범위를 관찰하여 측정된 새그 값으로 장력을 가해야 합니다. 바람이나 얼음 없이 15°C에서 ACSR Drake의 300미터 범위에 대해 목표 처짐은 대략 다음과 같습니다. 6.5미터 , 약 17kN의 수평 장력에 해당합니다. 클립 인 후 도체는 연선 침강 및 야금 크리프를 통해 이완되어 대략 손실됩니다. 처음 1,000시간 사용 시 초기 장력의 10~15% . 스트링 처짐은 10~12%의 과도한 장력을 목표로 하여 이러한 크리프를 예상해야 하며, 그런 다음 설계 최종 처짐으로 완화됩니다.

바람의 진동 및 도체 감쇠

일정한 층류풍이 1~7m/s의 속도로 머리 위 케이블을 통과할 때, 바람 방향에 수직인 주기적인 양력을 유도하는 교대 카르만 와류를 방출합니다. 이 바람 진동은 일반적으로 다음 범위의 주파수를 갖습니다. 3~150Hz , 도체가 더 높은 진동 모드 중 하나의 자연 공진 주파수 또는 그 근처에서 진동하도록 강제합니다. 동작이 완전히 억제된 도체 서스펜션 클램프에서 발생하는 굽힘 변형은 알루미늄의 피로 내구성 한계인 대략 57MPa(8.3ksi) 일정한 바람이 부는 동안 며칠 만에 누적되는 수천만 주기 내에서 발생합니다.

완화에는 Stockbridge 댐퍼, 나선형 진동 댐퍼(공식적으로 도그본 댐퍼 또는 나선형 댐퍼 요소라고 함) 또는 번들 도체의 스페이서 댐퍼가 사용됩니다. 적절하게 조정된 Stockbridge 댐퍼에는 주요 도체 주파수를 포함하는 두 개의 공진 주파수가 있어 메신저 케이블 가닥의 내부 마찰을 통해 진동 에너지를 흡수합니다. 클램프로부터 댐퍼 배치 거리는 임의적이지 않습니다. 도체의 진동 안티노드 진폭이 댐퍼를 자극하기에 충분한 지점에 위치해야 합니다. ACSR Lynx 도체가 있는 일반적인 132kV 라인의 경우 첫 번째 댐퍼가 배치됩니다. 서스펜션 클램프 입구에서 0.8~1.2m , 400미터를 초과하는 경간에서 1.8미터에 두 번째 댐퍼가 있습니다.

코로나 방전 및 전자기장 관리

230kV 이상의 전송 전압에서 도체 표면의 전기장 구배는 대략 공기의 절연 파괴 강도에 접근합니다. 해수면에서 30kV/cm . 건조한 조건에서 표면 기울기가 약 17kV/cm를 초과하면 코로나 방전이 시작되어 가청 잡음, 0.5~1.6MHz 대역의 무선 간섭(RI) 및 전력 손실이 발생합니다. 표면 구배는 도체 반경에 반비례합니다. 위상당 단일 도체의 직경은 최소한 230kV의 경우 24mm, 345kV의 경우 32mm 코로나 임계값 아래로 기울기를 유지합니다.

번들 도체는 30~45cm 간격으로 단단한 스페이서로 분리된 2개, 3개 또는 4개의 하위 도체 사이에 위상 전류를 분할하여 이 문제를 해결합니다. 400kV에서 28mm 직경의 도체로 구성된 트윈 번들은 대략 다음과 같은 등가 직경을 달성합니다. 180mm 전기장 분포 측면에서, 등가 총 단면적의 단일 도체에 비해 표면 구배를 대략 3배로 줄입니다. 스페이서 간격은 바람이 불어오는 방향의 전도체가 바람이 불어오는 방향의 전도체를 보호하여 타원형 휘핑 동작을 유도하는 공기역학적 불안정성을 생성하는 현상인 하위 스팬 진동에 대한 전기장 균일성과 기계적 안정성 사이의 균형을 최적화하기 위해 선택됩니다.

절연체 선택 및 연면 거리 조정

가공 도체는 서스펜션 또는 인장 절연체 스트링에 의해 기계적으로 지지되고 전기적으로 절연됩니다. 절연체의 연면 거리, 즉 절연체 표면을 따라 전원이 공급되는 끝 부분부터 접지된 끝 부분까지의 경로 길이는 오염된 습한 조건에서 플래시오버를 방지하기에 충분해야 합니다. 특정 연면 거리는 시스템 상간 전압 kV당 연면 거리 mm로 정의됩니다. 빛 공해 지역의 경우 특정 연면 거리 16mm/kV가 적절합니다. 중공업 또는 해안 염수 분무용, 31mm/kV 이상 더 긴 스트링이나 스커트가 더 깊은 포그형 절연체를 사용하여 지정됩니다.

실리콘 고무 창고가 있는 복합 고분자 절연체는 138kV 이하의 신축을 위해 도자기 및 유리 캡 및 핀 스트링을 대체했으며 EHV 수준에서 수용을 얻고 있습니다. 실리콘 고무의 소수성 표면은 연속적인 전도성 필름을 형성하기보다는 물이 구슬처럼 뭉치게 하여 누설 전류를 억제합니다. 친수성 도자기 표면에 비해 10~100배 동일한 오염 조건에서. 복합 절연체의 주요 고장 모드는 산 공격으로 인한 유리 섬유 코어 로드의 부서지기 쉬운 파손이나 결함이 있는 엔드 피팅 씰의 물 유입입니다. 이 메커니즘은 기계적 부하에 대한 지속적인 모니터링과 하우징 무결성의 육안 검사가 필요합니다.

접합, 막다른 골목 및 하드웨어 호환성

전체 가공선의 신뢰성은 연결부와 종단부만큼만 신뢰할 수 있습니다. 표준 릴 용량을 초과하는 도체 길이에 필요한 중간 스팬 조인트는 최소한 도체 정격 파괴 강도의 95% 전기 저항은 연결되지 않은 도체의 등가 길이의 75%를 초과하지 않습니다. 육각형 다이와 700bar(10,000psi)의 유압 프레스가 적용된 압축형 풀텐션 조인트는 업계 표준입니다. 조인트 본체는 알루미늄 스트랜드 위로 미끄러지는 알루미늄 슬리브와 강철 코어를 고정하는 별도의 강철 슬리브입니다. 두 개의 슬리브는 독립적으로 스웨이징됩니다. 먼저 강철 슬리브를 사용하여 코어 전체에 최대 정격 장력을 전달하고, 그 다음에는 강철 조인트 주위로 전류를 전달하는 알루미늄 슬리브를 사용합니다.

바이메탈 갈바닉 부식은 알루미늄 도체 연선이 전해질이 있는 구리 합금 하드웨어와 접촉할 때마다 발생합니다. 구리에 대한 양극성인 알루미늄은 희생적으로 부식됩니다. 알루미늄 도체의 모든 압축 커넥터와 클램프 본체는 구리와 알루미늄이 직접 접촉하는 것을 방지하기 위해 알루미늄 합금으로 만들거나 완전히 주석 도금 처리해야 합니다. 알루미늄 가공선이 구리 버스 작업으로 전환되는 변전소의 막다른 구조에서 바이메탈 마찰 용접 전환 러그는 두 금속을 분리하는 동시에 선로의 전체 단락 전류에 대해 정격이 낮은 전류 경로를 제공합니다.