Преимущества использования грозозащитного троса на основе стальных проволок, плакированных алюминием

Использование грозозащитных элементов в высоковольтных линиях электропередач существенно повышает надежность и срок их эксплуатации. Применение одного из них – грозозащитного троса, который размещают над фазными проводами –  наиболее простое и эффективное решение. Грозотрос защищает ВЛЭП от прямых ударов молний и связанных с этим электрических перенапряжений, которые выводят системы передачи электроэнергии из строя.

В России применяют два типа грозозащитных троса. Их отличает способ защиты стальных проволок от коррозии: оцинкование или плакирование алюминием.

В мировой практике широкое применение имеют грозозащитные тросы на основе плакирования алюминием: такой тип тросов применяется в энергосистемах США и Европы, а грозозащитный трос с встроенным оптическим кабелем (ОКГТ) производят только с использованием стальных проволок, плакированных алюминием. Общепринятое название такого типа троса: грозозащитный трос коррозионностойкий (ГТК).

Конструкция

Грозозащитный трос представляет собой скрученные между собой стальные проволоки. Сталь обладает отличными механическими характеристиками, которые обеспечивают требуемую стойкость к растягивающим усилиям, возникающим в пролетах линии. Однако для долговременной эксплуатации сталь необходимо защитить от коррозии.

Под коррозией понимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушение стали. При коррозии металл окисляется с образованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различные продукты коррозии.

Одним из способов защиты стали от коррозии является покрытие стали цинком. Он распространен ввиду относительной простоты технологий. Цинк можно нанести «горячим» способом – путем окунания в расплавленный цинк. Недостатком такого метода является повышенный расход цинка. Более совершенным и распространенным способом считается электролитический. К преимуществам такого способа относится высокая производительность. А недостатком являются низкие адгезионные свойства, что в итоге приводит к низкой коррозионной стойкости [1].

Другой способ – покрытие стали слоем алюминия (плакирование). Такой метод нанесения исключает вероятность отслоения или осыпания алюминия, что существенно увеличивает надежность ГТК. Алюминий защищает покрытую сталь от коррозии в течении всего срока службы, т.к. сам обладает высокой коррозионной стойкостью: на воздухе на его поверхности мгновенно образуется оксидная пленка толщиной в сотые доли микрометра.

Рассмотрим типовую конструкцию грозозащитного троса ГТК на основе стальных проволок, плакированных алюминием (рис.1.). ГТК содержит центральный силовой элемент из стальной проволоки, плакированной алюминием. Вокруг центрального силового элемента скручен один или несколько повивов, состоящих из стальной проволоки плакированной алюминием.

Рис. 1. Типовая конструкция грозозащитного троса (ГТК) на основе стальных проволок, плакированных алюминием

Типичная возможная маркировка:

ГТК20-0/90-12,1мм-53кА²с-111кН

 где:

ГТК20 – грозозащитный трос сделан из стальной проволоки, плакированной алюминием марки 20SA (20% в сечении проволоки занимает алюминий);

0 – площадь сечения проволок из алюминиевого сплава. В данном примере проволоки из алюминиевого сплава отсутствуют, однако могут быть добавлены при наличии требований по обеспечению повышенной термической стойкости;

90 – площадь сечения стальных проволок, плакированных алюминием;

12,1 мм – номинальный наружный диаметр ГТК;

53 кА²с – термическая стойкость к токам короткого замыкания;

111 кН – механическая прочность на разрыв.

Номенклатурный ряд

Типичный для России номенклатурный ряд ГТК включает в себя диаметры: 9,1 мм, 11,1 мм, 12,1 мм, 13,2 мм.

В отдельных случаях на подходах к подстанциям термическое воздействие токов короткого замыкания может достигать 400-500 кА²с, что делает невозможным применение стандартного номенклатурного ряда и конструкций на основе оцинковки.

Также наиболее острым и актуальным вопросом является применение конструкций ГТК, соответствующим заданным длинам пролетов и климатическим условиям. Недопустимой видится ситуация, когда для сложных больших переходов или для районов с большим гололедообразованием, проектом предусматриваются типичные и унифицированные грозотросы, как правило, диаметром 9,1 мм или 11,1 мм. Все это приводит к снижению отказоустойчивости системы, увеличению числа аварийных ситуаций и в, конечном счете, значительно большим экономическим потерям, чем полученная экономия на унификации и применении более дешевых продуктов на этапе строительства.

Преимущество грозотросов, плакированных алюминием – возможность изготовления любых конструкций под заданные проектом технические требования. Это особенно важно в современных условиях по следующим причинам:

1) рост требований к обеспечению надежности и отказоустойчивости энергетических систем;

2) возрастание передаваемой мощности на линиях электропередач;

3) возрастание требований к термической стойкости грозотросов.

Например, в габаритах с диаметром 13 мм возможно изготовление ГТК как с термической стойкостью до 90 кА²с (за счет применения проволок из алюминиевого сплава), так и с механической прочностью до 130 кН (только стальные проволоки, плакированные алюминием) – в зависимости от условий конкретного проекта. Соответственно диаметр троса может быть в любых пределах от 8 до 20 мм и выше (на сложных переходах).

Характеристики грозозащитных тросов

Масса на 1 км троса – является достаточно важной характеристикой. Чем меньше вес, тем меньше среднеэксплуатационные нагрузки на опоры, что продлевает срок их службы. В таблице 1 представлены сравнение массы на 1 км грозозащитных тросов на основе оцинковки и плакирования алюминием.

Таблица 1 – Масса 1 км грозозащитного троса

Механические характеристики

К механическим характеристикам обычно относят:

– механическая прочность на разрыв;

– максимально допустимая растягивающая нагрузка;

– модули упругости (начальный, конечный, после вытяжки).

Здесь, на первый взгляд, очевидное преимущество оцинкованных грозозащитных тросов (таблицы 2 и 3).

Таблица 2 – Механическая прочность на разрыв, кН

Таблица 3 – Модуль упругости, кН/мм²

Стоит отметить, что механическая прочность на разрыв для оцинкованных грозотросов представлена из расчета суммы разрывного усилия отдельных проволок, что несколько завышает фактические показатели стойкости самого троса, в то время как значения механической прочности грозотроса, плакированного алюминием приведены к тросу в целом.

Рассмотрим фактически возникающие нагрузки и стрелы провеса при эксплуатации обоих типов грозотросов (таблица 4). Детальный анализ таблицы, показывает неоспоримое преимущество грозотросов на основе плакирования алюминием в процессе эксплуатации:

– стрелы провеса в среднеэксплуатационном режиме у ГТК существенно ниже. Это обеспечивает увеличение габаритов до проводов, значительно снижая вероятность схлестывания в режимах пляски и вибрации;

– максимальная нагрузка в гололед с ветром (согласно ПУЭ-7) у ГТК ниже по причине меньшего веса самого троса. Таким образом сохраняется необходимый запас до разрывной прочности. Этот запас для ГТК не менее, чем двукратный и достаточный, чтобы обеспечить полную надежность в течении всего срока службы. Очевидно, что запас прочности у оцинкованного грозотроса избыточный. При этом переход оцинкованного грозотроса на меньший номенклатурный ряд для того, чтобы максимально использовать механический потенциал по прочности, приведет к ухудшению характеристик по стрелам провеса и значительно уменьшит термическую стойкость;

– стрелы провеса в максимальном климатическом режиме оказываются практически идентичными, т.к. меньший модуль упругости ГТК компенсируется меньшими возникающими нагрузками при воздействии гололеда с ветром.

Таблица 4 – Основные параметры в III климатической зоне по ветру (650 Па) и гололеду (20 мм)

Электрические характеристики:

– сопротивление постоянному току;

– термическая стойкость к токам короткого замыкания.

Очевидно, что применение плакированного алюминия значительно снижает сопротивление постоянному току перед оцинкованной сталью (см. таблицу 5)

Таблица 5 – Сопротивление постоянному току, Ом/км

Короткое замыкание – по тем или иным причинам, довольно частое явление на высоковольтных линиях. Ток при коротком замыкании распространяется в том числе по грозозащитному тросу, вызывая его значительный нагрев. Поэтому, чем лучше электрическая проводимость самого грозозащитного троса, в том числе за счет наличия в сечении алюминия, тем лучшую термическую стойкость он имеет.

Согласно [2] на подходах к большим городам и вблизи генерирующих центров значения термического воздействия токов КЗ составляют до 400 кА²·с до, что значительно превышает стойкость традиционных оцинкованных тросов. Несоответствие термической стойкости оцинкованных тросов термическому воздействию токов КЗ на ВЛ приводит как минимум к нагреву стальных канатов выше допустимой для них температуры, что вызывает отслоение цинкового покрытия и, как следствие, ускоренную коррозию стальной проволоки.

Сравнение термической стойкости к токам короткого замыкания представлено в таблице 6.

Таблица 6. Термическая стойкость к токам короткого замыкания, кА²·с

При этом конструкции ГТК на основе плакирования могут содержать разное количество алюминия, включая присутствие проволок из алюминиевого сплава в повиве. Это позволяет изготавливать кабель с повышенной термической стойкостью, включая 400 кА²·с.

Согласно требованиям СТО 56947007-29.060.50.015-2008, при протекании токов короткого замыкания оцинкованные тросы не должны нагреваться свыше 350°С, а тросы, плакированные алюминием, не более 300°С. Однако заявленная термическая стойкость отдельных марок оцинкованных тросов согласно расчетам, приводит к нагреву до 600°С, что недопустимо.

Реальные сравнительные испытания на стойкость к токам короткого замыкания, проведенные в НТЦ «ФСК ЕЭС» [3] показали соответствие практических результатов теоретическим данным. Оцинкованный трос при воздействии заявленного максимального тока короткого замыкания разогрелся до 580°С. Следствием такого нагрева стало моментальное воспламенение смазки на поверхности троса. При температурах выше 450°С цинк на поверхности стали становится рыхлым и легко спадает, что приводит к вопросу о надежности троса при дальнейшей эксплуатации. При протекании тока короткого замыкания в тросе, плакированном алюминием, его нагрев составил менее 230°С, что меньше нормативных максимальных значений и полностью безопасно для алюминиевого слоя.

Стойкость к грозовому разряду

Основное предназначение грозозащитного троса исходит из его названия. Трос подвешивается выше фазных проводов и принимает на себя удар молнии, обеспечивая их защиту.

Согласно СТО 56947007-29.060.50.015-2008 (с изм. от 30.10.2014) грозозащитный трос должен быть стоек к воздействию импульса тока молнии с постоянной составляющей переносящей заряд, величина которого определяется в кулонах для каждого класса молниестойкости ГТ.

При этом заявленная стойкость оцинкованных тросов составляет не менее 100 Кл, в то время как стойкость тросов с плакированием алюминием гораздо ниже и составляет не менее 50 Кл. Очевидно, что уплотнение проволок и отсутствие алюминиевой составляющей в оцинкованных тросах существенно улучшает сопротивляемость ударам молнии.

Стоит отметить, что методика испытаний, с помощью которой определяется стойкость к грозовому разряду, содержит ряд нюансов, повышающих воздействие экспериментального импульса тока молнии в сравнении с реальными ударами молнии в процессе эксплуатации:

• Отрицательная полярность на электроде приводит к возникновению электрической дуги в виде конуса, основанием которого является электрод. Это приводит к тому, что наибольшая концентрация дуги приходится на очень маленькую площадь троса, перенося весь заряд в одну точку. Реальное воздействие разряда молнии происходит по иному механизму: дуга «пляшет» по поверхности троса, в том числе по вдоль длины, распределяя энергию переносимого заряда по значительной площади троса и снижая ударное и термическое воздействие.

2) Современные испытательные установки, доступные для промышленного применения на территории России не обеспечивают требуемого фронта импульса тока молнии и вида электрода в соответствии с международной методикой [4]. Поэтому данные испытания не могут достоверно указать на фактическую стойкость троса к грозовому разряду.

Компания ALCOA является общепризнанным мировым лидером в производстве грозозащитных тросов, в том числе с встроенным оптическим кабелем. Исследования компании ALCOA [5] показывают, что вероятность превышения амплитуды заряда молнии 50 Кл составляет всего 4,5%. А подавляющая часть ударов молнии имеет заряд значительно ниже 50 Кл и не причиняет повреждений грозозащитному тросу. Согласно другим исследованиям компании ALCOA [6], вероятность попадания молнии в трос, а не в опору составляет от 0,4 до 0,6 % в зависимости от типа опор и длины пролета. Общая зависимость такая: чем выше опоры или чем меньше пролеты, тем меньше вероятность попадания молнии в трос. Таким образом, фактическая частота попадания молнии в трос примерно в два раза ниже общего количества ударов молнии в элементы ВЛ.

При этом ALCOA определяет, что надежность грозозащитного троса определяется как не более одного повреждения на 100 миль в год при наихудших условиях (ток 200 А в течении 0,5 с), вероятность наступления которых составляет не более 1%. Проведенные многочисленные испытания показали соответствие грозозащитных тросов на основе плакирования алюминием заданным параметрам надежности.

Грозозащитные тросы на основе плакирования алюминием эксплуатируются во всем мире, причем в регионах с значительно большей, чем в России активностью молний, таких как США и Бразилия, показывая отличную надежность в реальных условиях эксплуатации.

Коррозионная стойкость

Важный параметр для оборудования, применяющегося на объектах электроэнергетики – соответствие заявленным характеристикам в течение срока службы. Согласно статистике ПАО “Россети”, из-за коррозии происходит около 40% всех отключений, связанных с грозозащитными тросами.

В независимом и аккредитованном испытательном центре «ОптикЭнерго» были проведены сравнительные испытания грозозащитных тросов на основе оцинковки и плакирования алюминием. Испытания проводились в соответствии с международным стандартом: IEEE 1138-2009 – Standard for Testing and Performance for Optical Ground Wire (OPGW) for Use on Electric Utility Power Lines, п.6.4.3.8 на воздействие соляного тумана. То есть проводилось ресурсное испытание, определяющее способность троса обеспечивать требуемую стойкость к коррозии в течении всего срока эксплуатации. Образцы выдерживались в камере соляного тумана в течении 2000 часов. После испытаний был проведен разбор и осмотр образцов: установлено отсутствие сквозного разрушения внешнего слоя для проволок, плакированных алюминием, и сделан вывод о соответствии требованиям нормативной документации (рис. 2 и 3). На оцинкованных стальных проволоках зафиксировано сквозное разрушение слоя оцинковки и отчетливые следы коррозии, сделан вывод о несоответствии требованиям нормативной документации (рис. 2 и 4).

Рис. 2 – Образцы тросов после выдержки 2000 часов в соляной камере. Коричневые и желтые метки – плакированные алюминием, синие – оцинкованные

Рис. 3 – Внешний повив троса из проволок, плакированных алюминием

Рис. 4. Внешний повив троса из оцинкованных проволок

Далее была определена поверхностная плотность цинка на внешнем повиве. При нормативном значении согласно ГОСТ 7372-79 в 205 г/м2, фактическая плотность цинка после испытания составила всего 131 г/м2, что на 36% меньше нормативных значений, в результате чего сделан вывод о несоответствии требованиям ГОСТ. Несмотря на постоянное улучшение технологии нанесения цинка на стальные проволоки, следует признать, что конструкции данного типа не обеспечивают требуемую коррозионную стойкость в течении всего срока эксплуатации.

Соответствие стандартам ПАО «Россети»

В ПАО «Россети» разработан и внедрен стандарт СТО 56947007-29.060.50.015-2008 (с изм. от 30.10.2014) “Грозозащитные тросы для воздушных линий электропередачи 35-750 кВ. Технические требования”.

Грозозащиные тросы, плакированные алюминием, полностью соответствуют данному стандарту.

Согласно п. 5.1.9 грозозащитный трос по степени крутимости должен быть мало крутящимся. Благодаря подбору направлений свивки отдельных слоев проволок в мало крутящихся канатах, устраняется вращение каната вокруг своей оси при свободном подвешивании груза. Обязательным условием изготовления мало крутящихся канатов является расположение проволок в двух или трех концентрических слоях с противоположным направлением свивки каждого концентрического ряда проволок. В этом случае моменты вращения всех прядей каната уравновешиваются, что предотвращает общее вращение каната вокруг своей оси.

Грозозащитные тросы на основе плакирования алюминием выполняются с чередованием направлений повива скрутки. В то же время в оцинкованных грозозащитных тросах все повивы проволок выполнены в одну сторону, что не позволяет считать его мало крутящимся.

Соответствие грозозащитных тросов на основе плакирования алюминием требованиям СТО подтверждено пройденными испытаниями, включая проверку на:

– прочность на разрыв;

– стойкость к эоловой вибрации – 100 млн. циклов;

– стойкость к галлопированию (пляске) – 100 тыс. циклов;

– стойкость к токам короткого замыкания;

– стойкость к грозовому разряду;

– климатические воздействия пониженной и повышенной температурой.

Резюме

На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

– ГТК легче оцинкованных тросов и оказывают меньшие среднеэксплуатационные нагрузки на опоры;

– ГТК имеют меньшие стрелы провеса в нормальных режимах и меньшие нагрузки при воздействии гололеда с ветром, сохраняя необходимый запас до разрывной прочности;

– ГТК имеют существенно лучшую термическую стойкость к токам короткого замыкания, обеспечивая соответствие современным требованиям;

– ГТК обладают требуемой стойкостью к грозовым разрядам, что подтверждается испытаниями и многолетним мировым опытом эксплуатации;

– ГТК обладают существенно лучшей коррозионной стойкостью в течении всего срока службы, который составляет не менее 50 лет;

– ГТК полностью соответствуют требованиям СТО ПАО «Россети».

Библиография:

1. Асталюхина А.С., Пикалов Е.С. Характеристика современных методов нанесения защитных цинковых покрытий. // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 11-1. – С. 11-14
2. Механошин Б.И., Богданова О.И., Гилязов М.З., Матвеев Д.А. Комплексный подход к обеспечению грозоупорности ВЛ / Сб. материалов III Российской конференции по молниезащите. СПб., 22−23 мая 2012.
3. «Грозозащитные тросы на ЛЭП. Сравнительные испытания образцов» Д.Р. Зотов, «Эм-Кабель» / Новости Электротехники 2(104)-3(1050) 2017
4. “Draft IEC 1396 : Electrical mechanical and physical requirements and test method of optical ground wires”-July 1996
5. Improved Performance of OPGW Under Lightning Discharges in Brazilian Regions with a High Keraunic Level. CIGRE-2004
6. Lightning Test for OPT-GW cables Cristian Militaru, Ph. D. ALCOA.

Автор: Дмитрий Гиберт, генеральный директор ООО «Инкаб.Про»