Провода неизолированные для воздушных линий

Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи: классификация, материалы, применение и расчет

Неизолированные провода являются основным элементом воздушных линий электропередачи (ВЛ) всех классов напряжения, от низковольтных распределительных сетей 0.4 кВ до сверхвысоковольтных магистральных линий 750 кВ и выше. Их конструкция, материал и сечение определяют механическую прочность, токопроводящую способность, коррозионную стойкость и, в конечном итоге, надежность и экономическую эффективность всей линии.

Классификация и маркировка неизолированных проводов

Классификация осуществляется по нескольким ключевым признакам: материалу токопроводящей жилы, структуре провода, наличию несущего элемента и виду защитного покрытия.

1. По материалу токопроводящей жилы:

• Алюминиевые (А): Провода марок А, АТ (утвержденный термообработанный). Наиболее распространены благодаря низкой стоимости и малой массе. Основной недостаток – низкая механическая прочность по сравнению со сталью, что ограничивает длину пролета.
• Сталеалюминиевые (АС): Провода, в которых токопроводящие алюминиевые проволоки скручены вокруг сердечника из оцинкованных стальных проволок. Стальной сердечник воспринимает механические нагрузки, алюминиевая часть проводит ток. Это наиболее распространенный тип для ВЛ 6-1150 кВ.
• Стальные (ПС, С): Провода из оцинкованной стальной проволоки. Применяются в основном на ВЛ низкого напряжения (0.4 кВ) в сельской местности, для ответвлений к вводам, а также в качестве грозозащитных тросов. Обладают высокой прочностью, но большим сопротивлением.
• Медные (М): В современных новых ВЛ практически не применяются из-за высокой стоимости и дефицита, но могут встречаться в сетях старой постройки. Обладают наилучшей проводимостью и коррозионной стойкостью.

2. По структуре и типу:

• Однопроволочные (монолитные): Марки А, АТ, М, ПС. Используются на ВЛ до 35 кВ при небольших сечениях. Более подвержены вибрации и повреждению при изгибе.
• Многопроволочные: Скручены из нескольких проволок. Основной тип для силовых ВЛ. Обеспечивают гибкость, лучшую стойкость к вибрации и усталости. К ним относятся все сталеалюминиевые провода (АС).
• С защитным покрытием: Провода с увеличенным сроком службы за счет покрытия цинком (для стальных), электрохимической защиты (АСУ) или смазки.
• С изолирующим покрытием (СИП): Хотя статья посвящена неизолированным проводам, важно отметить, что в низковольтных сетях (0.4/0.23 кВ) они массово заменяются самонесущими изолированными проводами (СИП), которые имеют совершенно иные характеристики и правила монтажа.

Расшифровка марок проводов

Марка провода содержит информацию о его материале и конструкции. Примеры:

• А 50: Алюминиевый, сечением 50 мм².
• АС 120/19: Сталеалюминиевый. Общее сечение алюминиевой части – 120 мм², сечение стального сердечника – 19 мм².
• АС 150/34: Сталеалюминиевый. Алюминий – 150 мм², сталь – 34 мм².
• АСУ 400/51: Сталеалюминиевый с упрочненным стальным сердечником (повышенная прочность).
• ПС 70: Стальной провод сечением 70 мм².

Основные технические характеристики и выбор сечения

Выбор провода для ВЛ – это компромисс между электрическими, механическими и экономическими требованиями.

Электрические параметры:

• Допустимый длительный ток нагрузки (I_доп): Максимальный ток, который провод может проводить длительно без превышения допустимой температуры (обычно +70°C для А и АС, +125°C в аварийном режиме). Зависит от сечения, материала, условий охлаждения.
• Активное сопротивление (R₀): Определяет потери напряжения и мощности в линии. У стальных проводов значительно выше, чем у алюминиевых и сталеалюминиевых.
• Индуктивное сопротивление (X₀): Зависит от взаимного расположения проводов на опоре (геометрии фазы) и радиуса провода. С увеличением сечения и расстояния между фазами уменьшается.
• Коронный разряд: Для ВЛ высокого напряжения (110 кВ и выше) критичным становится выбор сечения с точки зрения предотвращения короны – ионизации воздуха вокруг провода, ведущей к потерям мощности, радиопомехам и шуму. Минимально допустимые сечения регламентированы ПУЭ.

Механические параметры:

• Предел прочности при растяжении (разрывное усилие): Максимальная нагрузка, которую провод выдерживает без разрушения. Ключевой параметр для механического расчета.
• Модуль упругости (E): Характеризует жесткость материала провода.
• Коэффициент линейного расширения (α): Важен для расчета стрелы провеса при изменении температуры.
• Сечение: Выбирается по экономической плотности тока (для ВЛ 35 кВ и выше) или по допустимой потере напряжения и механической прочности (для ВЛ 6-10 кВ и ниже).

Таблица 1. Сравнительные характеристики проводов распространенных марок

Марка провода	Сечение, мм² (ал/ст)	Диаметр, мм	Расчетный вес 1 км, кг	Разрывное усилие, кН (не менее)	Допустимый ток нагрузки при +70°C, А*	R0 при +20°C, Ом/км
А 50	50	9.0	135	7.4	210	0.576
АС 120/19	120/19	15.2	466	41.0	390	0.249
АС 240/39	240/39	21.6	964	76.2	605	0.120
АС 400/51	400/51	27.6	1627	116.0	835	0.0738

• Ток нагрузки приведен для ориентировки. Фактическое значение зависит от климатических условий (скорости ветра, температуры окружающего воздуха, солнечной радиации).

Механический расчет проводов ВЛ

Расчет ведется для определения стрелы провеса (f), длины провода в пролете (L) и механических напряжений (σ) в различных условиях. Исходные данные: длина пролета (l), тип и сечение провода, климатические условия района (гололед, ветер, температура).

Ключевые состояния для расчета:

• Наибольшая внешняя нагрузка: Сочетание минимальной температуры, гололеда и ветра. Определяет максимальное механическое напряжение в проводе.
• Наибольшая температура: +40°C или максимальная при перегрузке. Определяет максимальную стрелу провеса и необходимое габаритное расстояние до земли/сооружений.
• Среднегодовая температура: Используется для определения условий монтажа.

Основное уравнение состояния провода, связывающее напряжение, нагрузку и температуру в двух разных режимах, решается итерационно. Результатом является монтажная таблица или кривая, показывающая стрелу провеса и натяжение при разных температурах для монтажа.

Монтаж, крепление и эксплуатация

Крепление проводов к изоляторам на опорах ВЛ осуществляется с помощью специальной линейной арматуры: поддерживающих и натяжных зажимов.

• Поддерживающие зажимы: Устанавливаются на промежуточных опорах. Фиксируют провод, но позволяют ему скользить в зажиме при изменении температуры и нагрузки для разгрузки от дополнительных напряжений.
• Натяжные зажимы: Устанавливаются на анкерных опорах, воспринимающих продольную нагрузку. Обеспечивают жесткое, неразъемное крепление провода. Натяжение провода регулируется на анкерном участке.

При монтаже обязательно учитывается допустимый радиус изгиба провода (обычно не менее 10-15 наружных диаметров). Соединение проводов в пролете выполняется с помощью овальных или прессуемых соединителей, обеспечивающих электрический контакт и механическую прочность не менее 90% от прочности самого провода.

Коррозия и методы защиты

Неизолированные провода работают в агрессивной атмосферной среде. Основные виды коррозии:

• Атмосферная коррозия алюминия: Образование оксидной пленки, которая замедляет дальнейшее окисление. В загрязненной промышленной атмосфере (содержащей SO₂, хлориды) возможна локальная коррозия.
• Электрохимическая коррозия в зоне контакта алюминия и стали: В сталеалюминевых проводах в присутствии влаги образуется гальваническая пара, где алюминий (анод) корродирует. Для защиты стальной сердечник оцинковывают, а в особо агрессивных условиях применяют провода с заполнением межпроволочного пространства специальной смазкой (АСС, АСУС) или повышенной толщины цинкового покрытия (АСП).
• Вихревые токи: В проводах с ферромагнитным сердечником (АС) на ВЛ высокого напряжения могут наводиться вихревые токи, приводящие к нагреву. Это учитывается при расчете допустимой температуры.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему на ВЛ 6-10 кВ и выше почти всегда применяют сталеалюминиевые провода, а не чистый алюминий?

Чистый алюминий имеет низкую механическую прочность. Для обеспечения необходимой прочности на длинных пролетах при ветровых и гололедных нагрузках потребовалось бы значительно увеличивать сечение, что экономически невыгодно. Стальной сердечник в проводе АС берет на себя механическую нагрузку, позволяя алюминиевой части эффективно проводить ток. Это оптимальное сочетание прочности и проводимости.

2. Как определить необходимое сечение провода для ВЛ 0.4 кВ?

Для ВЛ 0.4 кВ сечение выбирается, в первую очередь, по допустимой потере напряжения (которая не должна превышать, как правило, 5% от номинального), а также по механической прочности (минимальное сечение по ПУЭ для сталеалюминия – 25 мм², для алюминия – 35 мм² на магистралях). Расчет по току нагрузки обычно дает меньшее сечение, но проверка на потерю напряжения является определяющей.

3. Что такое «вибрация проводов» и как с ней борются?

Вибрация – это колебания провода с частотой 5-60 Гц, вызванные периодическим срывом вихрей ветра. Приводит к усталостному разрушению отдельных проволок вблизи точек закрепления (обычно на расстоянии до 1 метра от зажима). Для защиты устанавливают виброгасители – демпфирующие устройства, которые поглощают энергию колебаний. Также применяют арматуру с виброзащитными характеристиками (зажимы с резиновыми вкладышами).

4. В чем разница между проводом АС 120/19 и АС 120/19?

Ошибки в написании нет. Это один и тот же провод. В обозначении сталеалюминиевого провода сначала указывается общее сечение алюминиевых проволок, затем сечение стального сердечника. Оба параметра стандартизированы.

5. Можно ли соединять алюминиевые и медные провода на ВЛ?

Прямой механический контакт меди и алюминия недопустим из-за высокой скорости электрохимической коррозии алюминия. Для соединения необходимо использовать биметаллические (медно-алюминиевые) переходные гильзы или зажимы, либо выполнять соединение через переходную пластину с гальваническим покрытием.

6. Как часто нужно проводить диагностику состояния неизолированных проводов?

Визуальный осмотр проводов с земли или с опор входит в состав плановых обходов ВЛ (обычно 1-2 раза в год). Тепловизионное обследование для выявления перегрева соединений рекомендуется проводить не реже 1 раза в 2-3 года для ВЛ 35 кВ и выше, и при плановых отключениях. Детальная инструментальная проверка на коррозию и усталостные повреждения (дефектоскопия) выполняется выборочно, на участках с агрессивной средой или при наличии признаков повреждения.

Заключение

Выбор, расчет и эксплуатация неизолированных проводов для ВЛ – комплексная инженерная задача, требующая учета электрических, механических, климатических и экономических факторов. Современный рынок кабельно-проводниковой продукции предлагает широкий спектр марок и сечений, позволяющих оптимально проектировать линии для любых условий. Строгое соблюдение требований ПУЭ, СНиП и инструкций по монтажу, а также регулярный мониторинг состояния проводов являются залогом долговечной и бесперебойной работы воздушных линий электропередачи.