架空電気ケーブル: 種類、選択、設置

正しいものを選択する 架空電線 送電線または配電線の場合、3 つの相互依存変数のバランスをとる必要があります。 連続通電容量、機械的引張強度、最大動作温度下での長期たわみ挙動 。ほとんどの中電圧および高電圧アプリケーションでは、鋼鉄強化アルミニウム導体 (ACSR) が引き続きデフォルトの選択肢となっています。これは、亜鉛メッキ鋼芯が総張力の約 55% ～ 65% を担い、アルミニウム素線が電流を流すためです。これは、同等のコストで均質な導体が匹敵することのできない機能の分離です。

導体の種類と材料構成

架空電気ケーブルは、導体の材質と撚り構造によって分類されます。 3 つの主要な裸導体ファミリーが市場を支配しており、それぞれが異なるスパン長と環境条件に適しています。

ACSR (アルミニウム コンダクター スチール強化) は、1 つまたは複数の層の硬伸線 1350-H19 アルミニウム ストランドで囲まれた同心円状のスチール ストランド コアで構成されます。さまざまな強度グレードが用意されているスチールコアが引張バックボーンを提供し、アルミニウム層が導電率で電流を流します。 61.2% IACS (国際なまし銅規格)。 26/7 撚り、全体直径 28.14 mm の典型的な ACSR「Drake」導体は、定格引張強度を達成します。 140 kN、75°C で約 907 アンペアの連続電流容量 適度な風の条件下で。

全アルミニウム合金導体である AAAC は、6201-T81 アルミニウム合金線の均質な撚り線を使用しています。この合金にはマグネシウムとシリコンが組み込まれており、1350-H19 導電体アルミニウムの約 2 倍の引張強度を達成し、鋼芯が不要になります。 AAAC 導体は、鋼芯の腐食が懸念される場所、特に空気中の塩化物や硫黄化合物が存在する沿岸環境や工業環境で指定されています。磁性鋼コアが存在しないため、ヒステリシスと渦電流損失も排除され、AC 抵抗が約 10% 減少します。 等価直径ACSRと比較して3%～5% 同じ負荷電流下で。

AAC は、完全に 1350-H19 ストランドから作られた全アルミニウム導体で、単位重量あたりの導電率は最も高くなりますが、引張強度は最も低くなります。その使用は、都市配電ネットワークおよび変電所内のバスバードロッパーの短いスパンに限定されており、スパンの長さが 50 メートルを超えることはほとんどなく、導体が高い氷や風荷重に耐える必要はありません。

標準導体タイプの性能比較

電流容量と熱定格の基礎

架空電線の電流容量は固定された数値ではなく、抵抗損失 (I²R 加熱)、導体表面によって吸収される日射、風による対流冷却、および空への放射熱損失の間の熱バランスの関数です。 IEEE 738 規格は、このバランスを制御する定常状態の熱方程式を定義しています。完全な太陽、0.6 m/s の低風速、および 40°C の周囲温度という最悪の場合の仮定の下では、特定の導体の電流容量は次のようになります。 25% ～ 35% 低い 穏やかな春の条件で公表されている値よりも高くなります。

導体の動作温度は、サグを制御する独立変数です。標準 ACSR 導体は、次の条件での連続動作が定格されています。 75℃、90℃、または100℃ 、緊急または短期間のピーク負荷状態では、より高い温度が許容されます。 93°C を超えると、アルミニウム ストランドが焼きなまし始め、引張強度が永久に低下します。 ACSS、G(Z)TACSR、ACCR などの高温低サグ (HTLS) 導体は、完全に焼きなまされたアルミニウムまたは複合コアを使用して、連続動作します。 150℃～210℃ これにより、より高い塔を必要とせずに、同じ用地内で従来の ACSR 線路の電流容量が約 2 倍になります。

サグテンションの計算とストリング張りの練習

導体の張力とたるみの関係は、懸垂方程式によって決まります。300 メートル未満のスパンでは、誤差が許容できる放物線近似に単純化されます。設計プロセスは、行き止まり構造間の張力セクション全体の同等の機械的挙動を表す加重平均スパン長である支配スパンの概念から始まります。最低ストリング温度での初期無負荷張力、通常 -20°Cまたは0°F 、地理的負荷地区の国家電気安全規定 (NESC) で指定されている最も厳しい氷と風負荷の組み合わせの下で、導体が定格破壊強度の 60% を超えないように設定する必要があります。

ストリングを張ることは、単に導体を目標張力まで引っ張ってクランプすることではありません。導体は、既知の均一温度にある導体を使用して、トランジットまたはデジタルサゴメータでスパン全体を照準することによって測定されるサグ値まで張力を加える必要があります。風も氷もなく、気温 15°C の ACSR ドレークのスパン 300 メートルの場合、目標サグは約 6.5メートル 、約 17 kN の水平張力に相当します。クリップインした後、導体は素線の沈降と冶金学的クリープによって緩和し、約 最初の 1,000 時間の使用で初期張力の 10% ～ 15% 。ストリングのたるみは、10% ～ 12% のオーバーテンションを目標にしてこのクリープを予測し、その後設計の最終的なたるみまで緩和する必要があります。

風振動と導体の減衰

安定した層流風が 1 ～ 7 m/s の速度で架空ケーブルを通過すると、カルマン渦が交互に発生し、風方向に垂直な周期的な揚力が生じます。この風力振動は、通常、次の範囲の周波数を持ちます。 3～150Hz 、導体をその高次の振動モードの 1 つの固有共振周波数またはその近くで振動させます。動きが完全に拘束されている導体サスペンション クランプで生じる曲げひずみは、アルミニウムの疲労耐久限界である約 57 MPa (8.3 ksi) 数千万サイクル以内で、風が安定している状態では数日で蓄積されます。

緩和には、ストックブリッジ ダンパー、スパイラル振動ダンパー (正式にはドッグボーン ダンパーまたはスパイラル形式ダンパー エレメントと呼ばれます)、または束ねられた導体上のスペーサー ダンパーを使用します。適切に調整されたストックブリッジ ダンパーは、主要な導体周波数を囲む 2 つの共振周波数を持ち、メッセンジャー ケーブルの素線の内部摩擦を通じて振動エネルギーを吸収します。クランプからのダンパーの配置距離は任意ではありません。導体の振動の腹の振幅がダンパーを励起するのに十分な点に配置する必要があります。 ACSR Lynx 導体を使用した一般的な 132 kV 送電線の場合、最初のダンパーが配置されます。 サスペンションクランプ口から0.8～1.2メートル 、400 メートルを超えるスパンでは 1.8 メートルの位置に 2 番目のダンパーが付いています。

コロナ放電と電磁界管理

230 kV 以上の送電電圧では、導体表面の電界勾配は空気の絶縁破壊強度に近づきます。 海面で 30 kV/cm 。乾燥状態で表面勾配が約 17 kV/cm を超えると、コロナ放電が開始され、可聴ノイズ、0.5 ～ 1.6 MHz 帯域の無線干渉 (RI)、および電力損失が発生します。表面の勾配は導体の半径に反比例します。相ごとの単一導体の直径は少なくとも 230 kV の場合は 24 mm、345 kV の場合は 32 mm 勾配をコロナ閾値未満に保つため。

束ねられた導体は、30 ～ 45 cm 間隔の剛性スペーサーで分離された 2 つ、3 つ、または 4 つのサブ導体間で相電流を分割することでこの問題に対処します。 400 kV で直径 28 mm の導体のツインバンドルは、約 180mm 電界分布の観点から見ると、同等の総断面積の単一導体と比較して、表面勾配がおよそ 3 分の 1 に減少します。スペーサーの間隔は、電界の均一性とサブスパン振動に対する機械的安定性の間のバランスを最適化するように選択されます。サブスパン振動とは、風上の導体が風下の導体を遮蔽し、楕円形の鞭打ち運動を引き起こす空気力学的不安定性を生み出す現象です。

絶縁体の選択と沿面距離の調整

架空導体は機械的に支持され、吊り下げまたは張力絶縁体ストリングによって電気的に絶縁されます。絶縁体の沿面距離、つまり通電端取り付け部から接地端までの絶縁体表面に沿った経路長は、汚染された湿潤条件下でフラッシュオーバーを防止するのに十分な距離でなければなりません。特定の沿面距離は、システムの相間電圧 kV あたりの沿面距離 mm で定義されます。光害地域の場合、比沿面距離は 16 mm/kV が適切です。重工業用または沿岸塩水噴霧用、31 mm/kV 以上 これは、より長いストリングまたはより深いスカートを備えたフォグタイプのインシュレーターを使用することで実現されます。

シリコーンゴムのシェッドを備えた複合ポリマー碍子は、138 kV 以下の新築建設において磁器やガラスのキャップアンドピンストリングに大きく取って代わり、EHV レベルで受け入れられつつあります。シリコーンゴムの疎水性表面により、連続的な導電膜を形成するのではなく水が玉状になり、漏れ電流が抑制されます。 親水性磁器表面と比較して10～100倍 同一の汚染条件下で。複合絶縁体の主な故障モードは、酸の攻撃やエンドフィッティングシールの欠陥による水の浸入によるグラスファイバーコアロッドの脆性破壊であり、この機構には機械的負荷の継続的な監視とハウジングの完全性の目視検査が必要です。

ジョイント、デッドエンド、ハードウェアの互換性

架空線全体の信頼性は、その接続部と終端と同じくらい重要です。標準リール容量を超える導体長に必要なミッドスパンジョイントは、少なくとも引張強度を達成する必要があります。 導体の定格破断強度の 95% 電気抵抗は、接合されていない導体の等価長の 75% を超えないこと。六角ダイスと 700 bar (10,000 psi) の能力を持つ油圧プレスを使用した圧縮タイプのフルテンション ジョイントが業界標準です。ジョイント本体は、アルミニウムストランド上をスライドするアルミニウムスリーブと、スチールコアをグリップする別個のスチールスリーブで構成されています。 2 つのスリーブは独立してかしめられます。最初にスチールスリーブがコア全体に定格張力を伝達し、次にアルミニウムスリーブがスチールジョイントの周囲に電流を流します。

バイメタル電食は、電解液の存在下でアルミニウム導体ストランドが銅合金ハードウェアと接触するあらゆる場所で発生します。アルミニウムは銅に対して陽極であるため、犠牲的に腐食します。アルミニウム導体用のすべての圧縮コネクタとクランプ本体は、銅とアルミニウムの直接接触を防ぐために、アルミニウム合金で作られるか、完全に錫メッキされている必要があります。アルミニウム製の架空線が銅製の母線に移行する変電所の行き止まり構造では、バイメタルの摩擦溶接された移行ラグが 2 つの金属を絶縁しながら、送電線の全短絡電流に定格される低抵抗の電流経路を提供します。