Провод TACFR для реконструкции воздушных линий

TACFR/TW — неизолированный компактированный провод с проволоками из термостойкого алюминий-циркониевого сплава и с композитным сердечником. Он предназначен для воздушных электрических линий электропередачи (ВЛ) напряжением 35÷750 кВ, где проектом требуется сочетание повышенной термостойкости, механической прочности и ограничения провисания при нагреве. Максимальная температура провода TACFR/TW в длительно-допустимом режиме180°C.

Рассматривать TACFR/TW только как «провод, который выдерживает большую температуру» неправильно. При строительстве или реконструкции ВЛ проектировщик одновременно проверяет токовую нагрузку, нагрев, стрелу провеса, механические напряжения, ветровые и гололедные воздействия, существующие опоры, габариты и совместимость линейной арматуры.

Что такое провод TACFR/TW

TACFR/TW относится к проводам нового поколения для ВЛ. Его токопроводящая часть выполнена из профильных проволок трапецеидальной формы из термостойкого алюминий-циркониевого сплава, а механическую основу конструкции формирует композитный сердечник. Такое сочетание материалов позволяет рассматривать провод в проектах, где требуется работа при повышенном нагреве и одновременно важно контролировать механическое поведение линии.

Это не изолированный кабель и не самонесущий изолированный провод. TACFR/TW работает как неизолированный провод воздушной линии, поэтому проектирование требует соблюдения габаритов, расчета стрел провеса и учета климатических воздействий.

Расшифровка и назначение

На странице производителя обозначение TACFR (Thermal Aluminium Conductor Fiber Reinforced) раскрывается через основные признаки конструкции: T означает термостойкое исполнение, AC — с алюминиевым токопроводящим слоем, F — с композитным сердечником, R — с усиленной конструкцией, TW – трапецеидальная форма внешних проволок

Для проектировщика важнее не сама аббревиатура, а заложенные в ней свойства:

• токопроводящий слой выполнен из термостойкого алюминий-циркониевого сплава;
• в конструкции применяется композитный сердечник; 
• провод предназначен для эксплуатации на ВЛ.

Рабочий режим и механические параметры должны подтверждаться документацией конкретного типоразмера. Поэтому марка TACFR/TW не определяет автоматически допустимый ток конкретной ВЛ или требуемый пролет. Эти параметры рассчитываются для объекта.

Область применения

TACFR/TW рекомендуется для применения на ВЛ напряжением 35÷750 кВ при новом строительстве, техническом перевооружении и реконструкции. Среди задач указаны линии с высокой токовой нагрузкой и проекты, в которых требуется сочетание термостойкости, механической прочности и снижения провисания при нагреве.

На практике TACFR/TW целесообразно рассматривать тогда, когда замена типового провода АС на такой же провод большего сечения не решает задачу реконструкции. Например, ограничением может быть не только нагрев при увеличении передаваемой мощности после реконструкции, но и допустимый габарит до земли, пересекаемых сооружений или элементов инфраструктуры.

Как устроен TACFR/TW

Конструкция TACFR/TW объединяет две функционально связанные части: наружные токопроводящие проволоки и сердечник. Они решают разные задачи, поэтому при проектировании нельзя оценивать провод только по суммарному номинальному сечению.

Проволоки из алюминий-циркониевого сплава

Наружные проволоки выполняются из термостойкого алюминий-циркониевого сплава. Добавление циркония используется в высокотемпературных алюминиевых проводниках для повышения устойчивости материала к длительному нагреву по сравнению с обычным электротехническим алюминием..

В спецификации TACFR/TW, представленной производителем «Людиновокабель», указана максимальная температура провода в длительно-допустимом режиме 180°C, в режиме перегрузки - 200°C. Высокая допустимая температура сама по себе не означает, что линию можно постоянно нагружать до соответствующего температурного предела. Реальный ток определяется тепловым балансом провода с учетом температуры воздуха, солнечной радиации, ветра и других условий, принятых расчетной методикой.

Композитный сердечник

Композитный сердечник воспринимает значительную часть механических нагрузок и обеспечивает минимальное удлинение провода при нагреве. Коэффициент линейного удлинения (КТЛР) сердечника провода TACFR/TW не более 1,61 х 10-6/°C (для сравнения: для стали, используемой в проводах АС, этот параметр 11,5 х 10-6/°C). Такими свойствами композитного сердечника, как прочность и КТЛР, и определяется уменьшение провисания провода при нагреве.

Именно механические свойства сердечника имеют большое значение для реконструкции ВЛ. При росте температуры провод удлиняется, а стрела провеса увеличивается. Если конструкция обеспечивает меньший рост длины провода при нагреве, проектировщик получает дополнительные возможности по сохранению требуемых габаритов.

Но выражение «малое провисание» нельзя превращать в универсальное числовое обещание. Фактическая стрела зависит от температуры, тяжения, длины пролета, собственного веса, ветра, гололеда, отметок крепления и монтажного режима.

Какие задачи решает провод

TACFR/TW рассматривают прежде всего как инженерный инструмент для увеличения пропускной способности существующих ВЛ с минимальными изменениями существующей инфраструктуры (трассы, опор, арматуры), а не как автоматическую замену любого традиционного неизолированного провода.

Передача дополнительной мощности по существующей трассе

При реконструкции сетевой компании часто нужно увеличить допустимую токовую нагрузку линии, но изменение трассы или полная перестройка опор оказываются сложными и капиталоемкими, сроки реконструкции при этом значительно увеличиваются.

В такой ситуации проектировщик может рассмотреть высокотемпературный провод с композитным сердечником. Более высокий допустимый температурный режим токопроводящих проволок дает возможность обеспечить передачу заданной электрической мощности, а механические свойства сердечника помогают контролировать изменение стрелы провеса.

Это не означает гарантированного увеличения пропускной способности на определенное число процентов. Результат определяется расчетом конкретной ВЛ.

Работа при повышенном нагреве

Нагрев провода определяется потерями электрической энергии и условиями теплообмена с окружающей средой.

При повышении тока увеличивается выделение тепла. Для традиционного провода ограничением может стать допустимая температура материала или связанное с нагревом увеличение стрелы провеса.

Термостойкий алюминий-циркониевый сплав позволяет рассматривать TACFR/TW для эксплуатации при высоких температурах провода (180÷200°C вместо максимально-допустимых 90°C для типовых проводов АС). При этом проектировщик должен проверить работоспособность при максимальном нагреве не только самого провода, но и арматуры, соединителей и других элементов, которые применяются совместно с этим проводом в проекте.

Ограничение провисания

Провисание ВЛ непосредственно связано с механическим состоянием провода. С ростом температуры его длина изменяется, поэтому стрела провеса обычно увеличивается.

Композитный сердечник применяется именно в конструкции, ориентированной на сочетание прочности и ограничения температурного провисания. Как и в других конструкциях высокотемпературных проводов низкое температурное удлинение сердечника является основным фактором уменьшения провеса при повышенных токовых нагрузках.

Однако проектировщик рассчитывает не абстрактное «провисание TACFR/TW», а стрелу для конкретного пролета и климатических условий.

Когда рассматривают TACFR/TW

Главный сценарий — ВЛ, где существующее техническое решение ограничивает дальнейший рост токовой нагрузки.

Кроме того, обоснованием для применения провода TACFR/TW могут быть следующие условия реализации проекта:

• сложность или невозможность замены/перестановки опор (например, в населенной местности) при реконструкции ВЛ с увеличением пропускной способности;
• высокая стоимость землеотвода под строительство ВЛ;
• вывод мощности источников генерации с большими перепадами выдаваемой мощности (ВИЭ);
• значительное увеличение пропускной способности с одновременным снижение потерь при передаче электроэнергии;
• снижение затрат на восстановление ВЛ после технологических сбоев и за недопоставку электроэнергии;
• строительство компактных линий (городская зона, заповедники);
• обеспечение повышенных экологических требований, снижение влияния линии на экологию;
• строительство «умных линий» (Smart Grid).

Реконструкция действующей ВЛ

Перед заменой существующего провода собирают исходные данные по линии:

• марка и сечение установленного провода;
• фактические длины пролетов;
• типы и состояние опор;
• высотные отметки точек подвеса; 
• существующая линейная арматура; 
• габариты в контрольных пролетах;
• расчетная и перспективная токовая нагрузка;
• климатические условия.

После этого выполняется сравнение результатов механического расчета с существующим проводом и с TACFR/TW.

Прямая команда «заменить старый провод на TACFR того же диаметра» технически некорректна. Даже при близкой массе или диаметре механические характеристики, тяжение, температурное удлинение и требования к арматуре могут отличаться.

Ограничения существующих опор

При реконструкции важно проверить, какие нагрузки будут передаваться на опоры после замены провода. Опора воспринимает вертикальные, горизонтальные и продольные воздействия, возникающие от собственного веса проводов, ветра, гололеда, тяжения и конфигурации трассы. Поэтому снижение массы или провисания нового провода еще не доказывает, что существующие опоры можно оставить без проверки. Для каждого участка анализируют расчетные сочетания нагрузок и несущую способность конструкций.

Особенно внимательно оценивают анкерно-угловые опоры, большие пролеты, переходы через дороги, железнодорожную инфраструктуру, водные объекты и другие ответственные пересечения.

Повышение пропускной способности

Высокотемпературный провод позволяет реализовать повышение пропускной способности за счет более высокой температуры провода при передаче заданного тока, но возможность выполнения данной задачи определяется не только проводом.

Ограничениями могут оставаться:

• трансформаторное оборудование;
• коммутационные аппараты; 
• токовые трансформаторы;
• ошиновка;
• линейная арматура; 
• допустимые потери;
• режим напряжения;
• требования надежности сети.

Поэтому реконструкция с TACFR/TW должна рассматриваться как часть общего проекта повышения пропускной способности, а не как локальная замена одного элемента.

Какие данные нужны для проектного выбора

Запрос производителю желательно формировать после предварительного обследования линии и расчета требуемых режимов. Чем подробнее исходные данные, тем проще подобрать применимый типоразмер.

Класс напряжения и расчетная нагрузка

В исходных данных указывают класс напряжения ВЛ, существующую и требуемую пропускную способность, расчетный максимальный ток и характер режимов.

Для получения корректных результатов определяют допустимую температуру провода при заданных климатических условиях. Нельзя просто использовать значение 180°C как расчетную температуру любого режима. Проектировщик должен установить, при каких условиях достигается требуемый ток и какие ограничения действуют для линии в нормальных и специальных режимах.

Длина пролетов и климатические воздействия

Механический расчет невозможен без геометрии линии. Для каждого характерного участка нужны:

• длины пролетов;
• разность высот точек подвеса; 
• расчетная температура; 
• ветровой район; 
• гололедные условия;
• особенности рельефа;
• данные о переходных пролетах.

Ветер создает поперечную нагрузку, а гололед увеличивает массу провода и изменяет аэродинамические условия для провода. Эти воздействия учитывают совместно с тяжением и температурой.

Требования по габаритам и стрелам провеса

Проект должен подтвердить сохранение нормируемых расстояний в наиболее неблагоприятных расчетных режимах.

Проверяют расстояния:

• до земли;
• до пересекаемых дорог; 
• до инженерных сооружений;
• до других проводов;
• до зданий и конструкций в применимых случаях;
• в специальных переходных пролетах.

Если существующая линия уже имеет небольшой запас по габариту, расчет стрелы провеса становится одним из главных критериев выбора нового провода.

Какие параметры проверяет проектировщик

Окончательный выбор выполняется после совмещения электрического и механического расчетов.

Электрические характеристики

Необходимо проверить:

• длительно допустимый ток;
• электрическое сопротивление; 
• потери мощности и энергии;
• нагрев в расчетных режимах;
• соответствие требуемой пропускной способности.

Сечение влияет на сопротивление и токовую нагрузку, но маркоразмер TACFR/TW нельзя оценивать только по цифрам обозначения. Проектировщик использует полный набор параметров конкретной конструкции.

Механическая прочность

Для механического расчета необходимы разрывное усилие провода, его удельная масса, модуль упругости, температурные характеристики и допустимые режимы тяжения.

Расчет должен показать, что при монтаже и эксплуатации не превышаются допустимые механические напряжения, а опоры и арматура выдерживают возникающие нагрузки.

Реконструкция должна учитывать как нормальные условия, так и расчетные режимы перегрузки с ветром, гололедом и изменением температуры.

Температурное удлинение

Стрела провеса провода напрямую связано его температурным удлинением. В композитных высокотемпературных проводах механическое поведение сердечника позволяет уменьшить рост провеса при нагреве по сравнению с конструкциями, где температурное расширение несущей части выше. Но фактическая зависимость определяется техническими параметрами конкретного изделия и монтажным тяжением.

Поэтому в проект должны входить расчетные кривые или данные, позволяющие определить тяжение и стрелу провеса в необходимом диапазоне температур.

Сечения и исполнения TACFR в каталоге

На момент подготовки материала завод «Людиновокабель» серийно производит 8 типоразмеров по ТУ 27.32.14-013-41183126-2019:

Обозначение вида 95/30 или 300/70 необходимо воспринимать как маркоразмер конструкции, а не как достаточные исходные данные для проектного выбора. Для расчета потребуются электрические и механические характеристики, указанные в спецификации провода, которая предоставляется по запросу.

В категории инновационных неизолированных проводов также представлены другие конструкции. Однако выбирать альтернативу следует только после сравнения требований конкретного проекта.

Требования к арматуре, монтажу и приемке

Замена провода требует проверки всей системы подвески. Для TACFR необходимо подтвердить совместимость:

• натяжной арматуры;
• поддерживающих зажимов;
• соединительных элементов; 
• ремонтных элементов;
• защитной арматуры;
• монтажного инструмента и технологии протяжки.

Композитный сердечник нельзя считать полностью эквивалентным традиционному металлическому сердечнику с точки зрения разделки и монтажа. Технологию работ необходимо выполнять по документации изготовителя провода и применяемой арматуры.

До начала монтажа подрядчик должен понимать допустимые радиусы изгиба и усилия при протяжке провода, требования к роликам, способ установки натяжной и соединительной арматуры, допустимые монтажные тяжения.

При приемке партии продукции проверяют маркировку, документацию о качестве, соответствие типоразмера заказу и состояние провода после транспортирования. Для ответственного проекта перечень входного контроля определяется проектной и договорной документацией.

Как сформировать запрос производителю

Формулировки «нужен TACFR на ВЛ 110 кВ» недостаточно для технического подбора. В запрос рекомендуется включить:

1. класс напряжения ВЛ;
2. существующую марку и сечение провода;
3. требуемый максимальный расчетный ток; 
4. нормальный и перспективный режим токовой нагрузки;
5. длину реконструируемого участка;
6. характерные длины пролетов;
7. максимальные переходные пролеты;
8. климатические исходные данные;
9. типы существующих опор; 
10. допустимые нагрузки на опоры;
11. требования по габаритам;
12. сведения о существующей арматуре; 
13. ограничения по монтажу;
14. требуемую строительную длину;
15. проектные требования к документам и приемке.

После получения технических характеристик проектировщик проверяет выбранный маркоразмер в электрическом и механическом расчетах на соответствие требованиям задания по проектированию.