ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРОВОД ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НАПРЯЖЕНИЕМ ОКОЛО И ВЫШЕ 60 КВ Российский патент 1999 года по МПК H01B9/00 H01B7/28 

Изобретение относится к высоковольтному проводу для воздушных линий электропередачи напряжением около и выше 60 кВ.

До сих пор используемые высоковольтные воздушные линии электропередачи, в которых напряжение на фазовых проводах превышает примерно 20 кВ, содержат неизолированные (голые), то есть по существу не закрытые провода. Поэтому провода должны монтироваться на опорных конструкциях с тем, чтобы обеспечить расстояние между проводами, достаточное для предотвращения соударения проводов.

С другой стороны, названные линии (PAS-линии), которые представляют собой воздушные провода, снабженные простой пластмассовой оболочкой, применяются в диапазоне напряжений порядка 20 кВ для замены неизолированных проводов. Изолятор часто представляет собой перекрестно-сшитый полиэтилен XLPE(PEX). Изоляция определяется таким образом, чтобы выдерживать электрические напряжения, возникающие из-за соударения проводов, но она не предназначена для полной изоляции провода, что имеет место в кабелях. Часто PAS-провод представляет собой альтернативу решениям, использующим более дорогостоящие подземные кабели.

Изоляционные материалы или оболочки не применяются для проводов напряжением, превышающим порядка 60 кВ, и в частности не применяются для проводов с высоким напряжением порядка 110 кВ и выше, поскольку слои известных изоляционных материалов, используемые в воздушных линиях электропередачи, должны иметь значительную толщину для обеспечения достаточной изоляции. Поэтому опорные конструкции, изоляторы, изолирующая арматура и электроарматура главным образом спроектированы для неизолированных проводов.

В течение последних десяти лет все возрастающее внимание уделяется электрическим и магнитным полям, создаваемым линиями электропередачи, и их возможным воздействиям на здоровье живущих поблизости людей. В некоторых штатах США и в Италии уже установлены ограничения на электрические и магнитные поля линий электропередачи.

На электрические и магнитные поля, создаваемые воздушными линиями электропередачи, может влиять относительное расположение проводов в плоскости, перпендикулярной к направлению проводов. Размещение проводов как можно ближе друг к другу, например, в вершинах равностороннего треугольника, позволяет получить минимальные поля. Кроме того, при размещении проводов ближе друг к другу требуются более узкие полосы под линиями электропередачи, и это позволяет сэкономить, по меньшей мере, на приобретении земельных участков. Однако минимальные расстояния между проводами, требуемыми для неизолированных проводов линий высокого напряжения для предотвращения короткого замыкания, перекрытия изолятора дугой и коронного разряда, на практике препятствовали какому-либо существенному уменьшению электрических и магнитных полей в зоне линий электропередачи и в непосредственной близости от нее.

Задачей настоящего изобретения является создание высоковольтного провода для воздушных линий посредством которого можно получить воздушные линии электропередачи, которые требуют более узких полос земли под ними и создают меньшие электрические и магнитные поля. Эта задача решается за счет того, что высоковольтный провод согласно данному изобретению покрыт изоляцией и защищен (экранирован) от искрового пробоя, возникающего при контакте с другим проводом, причем изоляционное покрытие на проводе содержит полупроводниковый слой, охватывающий провод, наружный поверхностный слой изоляции и слой между ними, обеспечивающий фактическую изоляцию.

За счет соответствующего выбора слоя изоляции в проводе согласно изобретению и в результате выполнения большого количества испытаний для определения уровня безопасности и прочности проводов был получен тонкий провод для линий высокого напряжения, который экономичен в изготовлении. Этот провод позволяет решить большую часть проблем, связанных с линиями электропередачи обычной конструкции. При использовании провода согласно изобретению можно уменьшить ширину полос земли (коридора) под линиями электропередачи, составляющую в настоящее время порядка 15 м, примерно в два раза (при вертикальном расположении) при напряжениях, например, 110 кВ, и, например, напряженность магнитных полей значительно уменьшается по сравнению с напряженностью полей существующих линий.

Другие предпочтительные примеры выполнения изобретения отличаются признаками, приведенными в нижеизложенных пунктах формулы изобретения.

Далее изобретение описывается более подробно на примерах со ссылками на чертежи, на которых изображен провод согласно изобретению.

На чертеже показан провод, рассчитанный на напряжение 110 кВ, включающий проводник круглого сечения из алюминиевого сплава, скрученный из проволок 3 и имеющий диаметр порядка 20 мм. Попаданию воды между слоями провода препятствует, например, жир или расширяющий при увлажнении порошок. Оболочка 4 провода изготовлена из полупроводящей пластмассы или резиноподобного материала. Полупроводность обычно достигается за счет добавления в изоляционный материал поперечно-сшитой структуры с примерно 30 - 40% технического углерода (газовой сажи) (если в изоляционном материале используется газовая сажа, то полупроводящий эффект может быть получен уже при введении 10% добавок). В покрытом изоляцией проводе, рассчитанном на напряжение 110 кВ, закрывающий провод слой имеет толщину порядка 1 - 2 мм. Назначение оболочки провода заключается в том, чтобы нейтрализовать пики напряжения на неровной поверхности провода, скрученного из металлических проволок, и чтобы предотвратить образование зон разряда.

Фактически изолирующий слой 1, окружающий полупроводящий слой 4 представляет собой пластик XLPE высокой чистоты на основе поперечно-сшитого полиэтилена с толщиной около 5 мм для напряжения 110 кВ. Высокая чистота требуется для минимизации риска искрового пробоя через изоляционный материал при высоких напряжениях. Поперчно-сшитый полиэтилен применяется главным образом вследствие его высокой степени чистоты, высокого сопротивления, прочности и изолирующих свойств. Наружный слой представляет собой слой изоляции толщиной около 1,5 мм, в который добавлена, например, газовая сажа (технический углерод) для достижения атмосферозащищенности. Содержание газовой сажи предпочтительно составляет 2 - 3%, что обеспечивает достаточные защитные свойства, например, против ультрафиолетового излучения, не придавая при этом слишком большой проводимости поверхностному слою провода.

Вместо поперечно-сшитого полиэтилена (XLPE, PEX) в качестве исходного материала можно использовать этилен-пропиленовый каучук, то есть ЕР-каучук (EDPM (СКЭП) - тройной этилен-пропиленовый каучук с диеновым сомономером или EPR (СКЭП) - этилен-пропиленовый каучук).

Приведенный в качестве примера провод согласно изобретению напряжением, например, 110 кВ, имеет следующие характеристики: наружный диаметр около 39 мм, масса 1730 кг/км, разрушающая нагрузка 110 кН и максимально допустимая нагрузка 660 А. Помимо линий переменного тока провод согласно изобретению может с тем же успехом применяться для электропередачи постоянного тока, в этом случае три фазовых провода заменяются, например, двумя проводами (ток+"Земля").

Таким образом, провод согласно изобретению покрыт слоем изоляции, который значительно тоньше, чем в конструкции обычных кабелей. Размеры слоя изоляции выбраны так, чтобы выдерживать соударение фазовых проводов внутри пролета. Поэтому не предпринималось никаких попыток выполнить полную изоляцию провода с помощью изолирующего слоя, но токи утечки порядка нескольких миллиампер существуют на наружном слое, и, следовательно, чрезвычайно опасно дотрагиваться, например, до провода под напряжением 110 кВ голыми руками.

При испытаниях, при которых напряжение 120 кВ подавалось между двумя проводами, провода соударялись 540 000 раз без искрового пробоя. Кроме того, с теми же проводами проводилось испытание при отклоненном в течение 17 дней положении проводов; при этом испытании на проводах, прислоненных друг к другу, не возникало искрового пробоя. Таким образом, провода согласно изобретению могут ударяться один о другой, например, вследствие сил, возникающих при коротком замыкании, или из-за ветра. Таким образом, требуемые минимальные расстояния между проводами должны рассчитываться с учетом других факторов, применимых к данной ситуации, а не на базе критерия для случая короткого замыкания. Оказалось возможным уменьшить расстояния между фазовыми проводами, рассчитанными на 110 кВ, от расстояний в 2 м, используемых в настоящее время до примерно половины от указанного расстояния.

Во всяком случае оказалось, что защищенные (экранированные) провода согласно изобретению обеспечивают возможность существенного уменьшения расстояний между фазами и сокращения ширины полос под линиями электропередачи. Следствием этого является небольшая величина электрических и магнитных полей, создаваемых линиями с защищенными проводами по сравнению с обычными линиями.

В таблице (см. в конце описания) показаны зависимости значений магнитной индукции высоковольтной воздушной линии электропередачи на уровне поверхности земли для различных типов проводов. Сравнение включает обычную линию без изоляции с горизонтальной, треугольной и вертикальной конфигурациями при стандартных расстояниях между фазами 2 м и PAS - линию с экранированными проводами согласно изобретению с горизонтальной, вертикальной, треугольной конфигурациями и конфигурацией в виде равностороннего треугольника при расстояниях между фазами 1,15 м. Основные данные, при которых были получены результаты измерений, приведенные в таблице 1, следующие:
- U = 123 кВ
- Ток нагрузки 100 А, мощность P = 18 МВт
- Экранированный провод: SAX 355, σ_o = 40 H/мм²
- Неизолированный провод: Duck, σ_o = 40 H/мм²
- Молниеотвод: Sustrong, σ_o = 60 H/мм²
- Температура провода под током +15^oC
- Температура молниеотвода +5^oC
- Зазор между самым нижним проводом под током и землей 5,9 м при +70^oC (разрешенная минимальная высота)
- Пролет a_e = a = 200 м
На основе данных таблицы 1 можно сделать следующие выводы относительно магнитного поля:
- когда расположение проводов горизонтальное, максимальное значение магнитной индукции в PAS-линии уменьшается до примерно одной трети по сравнению с соответствующей линией без изоляции. Магнитная индукция уменьшается до уровня фонового излучения (0,1 μкТ) при расстояниях соответственно 33 м и 16 м от центра линии,
- при вертикальном расположении проводов максимальное значение магнитной индукции PAS - линии уменьшается примерно наполовину по сравнению с обычной линией. Магнитная индукция уменьшается до уровня фонового излучения при расстояниях соответственно 33 м и 18 м от центра линии,
- при расположении проводов в виде треугольника максимальное значение магнитной индукции линии не отличается в сколько-нибудь значительной степени от значения для обычной линии. Однако магнитная индукция уменьшается при PAS-проводах до уровня фонового излучения при расстоянии 21 м от центра линии, в то время как в случае соответствующей линии без изоляции требуется расстояние 25 мм. Эта довольно незначительная разница имеет место вследствие того, что расположение проводов определяется другими факторами, например, свободным воздушным промежутком, а не расстоянием между проводами. Таким образом, конструкцию примерно одна и та же при проводах обоих типов. Однако при измерениях было установлено, что при PAS-линии имеется уменьшение наполовину максимального значения напряженности электрического поля.

- расположение в виде равностороннего треугольника ( Δ ) проводов PAS-линии, очевидно, является наилучшим решением с точки зрения создаваемых полей. По сравнению с обычной линией электропередачи с горизонтальным расположением проводов максимальное значение магнитной индукции составляет только около одной пятой части и магнитная индукция уменьшается до уровня фонового излучения уже на расстоянии 13 м от линии.

Провод согласно изобретению может быть изготовлен известными способами без каких-либо существенных изменений по сравнению, например, с линиями для изготовления подземных кабелей. С помощью способа экструзии в три канала (triple extrusion) все покрывающие слои на проводе могут быть получены за одну операцию.

Для специалиста в данной области очевидно, что различные примеры выполнения изобретения не ограничены представленными выше примерами, но могут изменяться свободно в пределах объема нижеприведенных пунктов формулы изобретения.

Изобретение относится к высоковольтному проводу, рассчитанному на высокие напряжения, предназначенному для воздушных линий электропередачи с напряжениями приблизительно 60 кВ и выше. В соответствии с изобретением провод покрыт изоляцией и экранирован от искрового пробоя, возникающего в результате контакта с другим проводом, причем изоляционное покрытие на проводе содержит полупроводящий слой, охватывающий провод, наружный атмосферозащищенный поверхностный слой изоляции и между ними слой, обеспечивающий фактическую изоляцию. Технический результат - получение воздушных линий электропередачи, которые требуют более узких полос земли под ними и уменьшение электрических и магнитных полей. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Высоковольтный провод для воздушных линий электропередачи напряжением около и выше 60 кВ, содержащий полупроводящий слой, охватывающий провод, отличающийся тем, что провод (3) покрыт изоляционным покрытием и экранирован от искрового пробоя, возникающего в результате контакта с другим проводом, причем изоляционное покрытие на проводе (3) содержит указанный полупроводящий слой (4), охватывающий провод, наружный атмосферозащищенный поверхностный слой (2) изоляции и между ними слой (1), обеспечивающий фактическую изоляцию. 2. Провод по п.1, отличающийся тем, что в качестве изоляционного материала слоя (1) выбран поперечно-сшиваемый полиэтилен (XL РЕ). 3. Провод по п.1, отличающийся тем, что изоляционным материалом слоя (1) является этиленпропиленовый каучук (ЕРD М-тройной этиленпропиленовый каучук с диеновым сомономером или ЕPR-этиленпропиленовый каучук). 4. Провод по п. 4, отличающийся тем, что атмосферозащищенный поверхностный слой (2) изоляции получен путем смешивания около 2-3% газовой сажи с изоляционным материалом.