Vysokoteplotní vodiče vedení VVN

Tento článek o vysokoteplotních vodičích navazuje na minulý, jež se zabýval tvary a klasickými typy vodičů vedení VVN, a rozšiřoval popis problematiky venkovního vedení VVN, která byla témetem dvou dřívějších příspěvků – Elektrické stožáry aneb poznáš kočku na poli? a Vodiče venkovních elektrických vedení.

Obsahem článku bude srovnání materiálů používajících se u klasických a vysokoteplotních vodičů a následný popis vlastností, výhod a nevýhod jednotlivých druhů vysokoteplotních vodičů.

Přenosovou schopnost vedení lze zvýšit dvěma základními způsoby. Buď se zvětší proud tekoucí vedením, anebo napěťová hladina, na které je vedení provozováno. Při zvyšování napěťové hladiny je v podstatě nutné celé vedení nahradit úplně novým, což je finančně mnohem náročnější než se pokusit zvýšit kapacitu zvětšením proudu vedením. Jedním ze způsobů zvýšení proudu je výměna vodičů za takzvané vysokoteplotní, které umožňují provoz vodiče při vyšší teplotě. To má za následek vyšší proudovou zatížitelnost vedení.

Používané materiály

Vysokoteplotní vodiče musejí být vyrobeny ze speciálních materiálů, protože musí zachovat při vysokých teplotách své mechanické vlastnosti. Většina má obdobnou konstrukci jako klasické vodiče ACSR, ale existuje i speciální typ s mezerou. Jádro vodiče je z nejrůznějších druhů oceli, případně kompozitu, kvůli mechanickým vlastnostem a plášť z hliníkových slitin kvůli vodivosti. V následující tabulce je srovnání vlastnosti slitin hliníku.

Z tabulky je zřejmé, že slitiny TAL a ZTAL mají podobné vodivostní a mechanické vlastnosti jako klasická slitina AL1, ale jsou schopné provozu při vyšších teplotách. Naopak plně žíhaný hliník má lepší vodivost a snese vyšší provozní teploty, ale jeho mechanické vlastnosti jsou podstatně horší oproti ostatním slitinám z tabulky. V další tabulce je srovnání vlastností nejběžněji používaných ocelí.

Nejzajímavější je slitina železa a niklu (s obsahem Ni 36 %), jež se nazývá INVAR. Má přibližně 4x menší koeficient délkové roztažnosti než ostatní slitiny. Bohužel má také menší mechanickou pevnost než ostatní oceli.

Druhy vysokoteplotních vodičů

• (Z)TACSR ((Super) Thermal Alloy Conductor Steel Reinforced) 

Vodiče (Z)TACSR se liší od klasických vodičů ACSR pouze tím, že v plášti lana jsou použity dráty z tepelně odolné (TAL) nebo zvláště tepelně odolné (ZTAL) slitiny hliníku, a jejich vlastnosti jsou výsledkem vlastností oceli a hliníku. Tento typ vodiče se svými mechanickými vlastnostmi příliš neliší od ACSR. Na rozdíl od ostatních vysokoteplotních vodičů není navržen jako nízko průhybový.

Vodič (Z)TACSR  lze použít ke zvětšení přenosové schopnosti existujících vedení pouze tam, kde jsou dostatečné vzdálenosti vodičů od terénu a křižovatek (silnice, železnice, vedení elektrizační soustavy a sdělovací vedení), které musí být dodrženy a jsou definovány v normách platných v době výstavby vedení, neboť je zřejmé, že při provozu při vyšších teplotách budou průhyby vodiče větší než při návrhové teplotě +80°C u vodiče ACSR.

• G(Z)TACSR (Gap ((Super) Thermal Alloy Conductor Steel Reinforced)

Vodič G(Z)TACSR je specifický svojí konstrukcí, která se výrazně liší od klasického vodiče ACSR. Mezi jádrem z vysoko pevnostní EHS (Extra High Strength) oceli a pláštěm ze slitiny TAL nebo ZTAL je mezera. Mezera je vyplněna mazivem, a aby se předešlo jeho úniku, musí být vrstva pláště přiléhající k mezeře ze segmentovaných vodičů. Mazivo musí být teplu vzdorné, a jeho hlavním úkolem je zabránit tření mezi jádrem a pláštěm, pak se dá považovat pohyb jádra a pláště za vůči sobě nezávislé.

Tento typ vodiče má dvě výhody oproti klasickému vodiči ACSR. První je vyšší proudová zatížitelnost, způsobená tím, že je možné díky použití speciálních slitin lano provozovat při vyšších teplotách. Při stejném průřezu vodiče a použití slitiny TAL, jejíž provozní teplota je až 150°C, je proudová zatížitelnost 1,5x větší. Použijeme-li slitinu ZTAL s povolenou teplotou 210°C, je proudová zatížitelnost až dvojnásobná. Druhá výhoda spočívá ve zmenšeném průhybu vodiče. Při provozu vodiče GTACSR s provozní teplotou (150°C) je průhyb 96 % průhybu vodiče ACSR při teplotě 90°C. U vodiče GZTACSR s teplotou 210°C je průhyb 104 % průhybu ACSR (90°C).

Průhyb vodiče je spjat zejména s koeficientem teplotní roztažností materiálů vodiče. U klasického vodiče ACSR je tento koeficient přibližně dvojnásobný v porovnání s vodičem G(Z)TACSR, a to z toho důvodu, že u vodiče ACSR je koeficient závislý na kombinaci ocelového jádra a hliníkového pláště, kdežto u G(Z)TACSR pouze na teplotní roztažnosti ocelového jádra, protože plášť vodiče nemá nosnou funkci. Nicméně i u vodiče ACSR může dojít k tomu, že celý tah vodiče je přenesen na ocelové jádro. Stane se to po překročení takzvaného zlomového bodu. Při dalším nárůstu teploty za zlomový bod je průhyb závislý pouze na roztažnosti oceli. Této vlastnosti vodičů ACSR nelze při provozu využívat, protože zlomový bod je kolem teploty 120°C, což je daleko za povolenou provozní teplotou vodiče ACSR.

Nevýhodou tohoto typu lana je jeho složitější instalace. Při napínání se musí rozplést plášť, odkryté ocelové jádro napnout na požadovaný tah a nakonec hliníkové dráty opět navít na jádro. Při modernizaci vedení s použitím tohoto typu vodiče by bylo nutné použít speciální nosné svorky, ostatní prvky izolátorového závěsu by nutné měnit nebylo, takže lze v podstatě jednoduše zdvojnásobit proudovou zatížitelnost vedení za použití vodiče GZTACSR bez nutnosti jiných úprav než výměny nosných svorek, jako by mohla být výměna izolátorových závěsů, nebo dokonce zvyšování stožárů.

• ZTACIR (Zirconium alloy Aluminum Conductor Invar steel Reinforced )

Vodič ZTACIR je svojí konstrukcí podobný klasickému ACSR, hlavní rozdíl je v materiálech použitých v tomto vodiči. Jádro je z drátů slitiny zvané INVAR, jedná se o slitinu s 36% obsahem niklu. Plášť je z tepelně odolných slitin hliníku (TAL a ZTAL), což umožňuje provoz až do teplot 150°C, respektive 210°C. Výhoda použití INVARu v jádře spočívá v jeho minimální teplotní roztažnosti, v porovnání s ostatními ocelemi je přibližně třetinová. Na druhou stranu má INVAR menší pevnost v tahu, takže vodič ZTACIR má asi o 8 % menší pevnost než ACSR. Stejně jako u předchozího vysokoteplotního vodiče lze zdvojnásobit proudovou zatížitelnost vedení, ale odpadá komplikace s obtížnější instalací, protože ZTACIR se instaluje na vedení úplně stejně jako vodič ACSR.

• ACSS(/TW) (Aluminum Conductor Steel Supported(/Trapezoidal Wire))

Tento typ vodiče se skládá z plně žíhaných hliníkových drátů navinutých kolem vysoko pevnostního jádra z oceli. Plášť může být jak z drátů kruhového průměru, tak ze segmentovaných drátů. Použitím plně žíhaného hliníku ve stabilizovaném stavu se zvýší provozní teplota lana.

Vzhledem k tomu, že hliník nenese žádné napětí, nehrozí jeho tečení ani při vysokých teplotách. Další pozitivum toho, že hliník nenese napětí je to, že teplotní roztažnost je podobná samotné roztažnosti oceli, která je, jak už bylo uvedeno výše, poloviční ve srovnání s vodičem ACSR a také, že konečný průhyb není ovlivněn tečením hliníku. Pevnost plně žíhaného hliníku je přibližně třikrát menší než tvrdě taženého, tudíž únosnost vodiče ACSS je nižší, na což musíme pamatovat. Nižší pevnost lze kompenzovat použitím extra pevných ocelí v jádře nebo zvětšením průřezu jádra vodiče, případně kombinací obou možností.

Užitím plně žíhaného hliníkového pláště se získá vynikající odolnost lana vůči korozi. Výhodnou vlastností vodiče typu ACSS i ACSS/TW je lepší samo tlumící schopnost a odolnost proti vibracím v porovnání s vodiči ACSR. Přestože se způsob instalace vodiče ACSS v zásadě neliší od instalace vodiče ACSR, je nutno postupovat opatrně, aby nedošlo k jeho poničení, protože vrchní vrstva z plně žíhaného hliníku je podstatně měkčí a náchylnější na poškození než dráty z tvrdě taženého hliníku.

• ACCC(Aluminum Conductor Composite Core)

Vodič ACCC je moderní typ vodiče, jež je složen z kompozitního jádra a pláště ze segmentovaných vodičů z plně žíhaného hliníku. Kompozitní jádro je z jednoho drátu, což je rozdíl oproti všem ostatním typům, které ho mají zpravidla slaňované. Materiálem jádra jsou karbonová vlákna obalená speciálními skelnými vlákny. Jádro je pevné (o 25 % pevnější než ocelové jádro) a jeho délka minimálně teplotně závislá.

Výsledné vlastnosti vodiče ACCC se vyznačují nízkým koeficientem teplotní roztažnosti (poloviční proti INVARU a skoro osmkrát menší než u běžné oceli). Oproti oceli je výrazně lehčí (o 60 %), takže umožňuje ve stejném průřezu vodiče obsahovat více hliníkových vrstev, což je dobré z hlediska celkové rezistivity vodiče a s ní související proudové zatížitelnosti.

Tento druh vodiče vyniká svými vlastnostmi u dlouhých rozpětí a tam kde je potřeba dosáhnout malých průhybů z důvodu dodržení minimálních bezpečných vzdáleností.

Zdroj úvodní fotografie: J-Power System