NO319576B1

NO319576B1 - Conductor in high voltage line for overhead lines with voltages of about 60 kV and higher

Info

Publication number: NO319576B1
Application number: NO19954289A
Authority: NO
Inventors: Antero Hinkkuri; Keijo Matikainen
Original assignee: Nk Cables Oy
Priority date: 1993-04-27
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 2005-08-29
Also published as: AU6539894A; NO954289D0; WO1994025968A1; HUT73303A; SE9503734D0; FI931897A; RU2137234C1; PL177367B1; FI931897A0; CZ286129B6; NO954289L; FI95632B; PL311473A1; SE9503734L; FI95632C; HU215306B; HU9502999D0; CZ272795A3; SE505269C2

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en høyspent linjeleder for luftlinjer for spenninger på omkring 60 kilovolt og høyere. The present invention relates to a high-voltage line conductor for overhead lines for voltages of around 60 kilovolts and higher.

Høyspente luftlinjer som hittil er anvendt og hvor spenningen over faselederne overstiger omkring 20 kilovolt, omfatter nakne, d.v.s. hovedsakelig uisolerte, ledere. Lederne må derfor monteres på stolpekonstruksjoner slik at det tillates tilstrekkelig avstand mellom lederne for å hindre at de slår mot hverandre. High-voltage overhead lines that have been used so far and where the voltage across the phase conductors exceeds around 20 kilovolts include bare, i.e. mainly uninsulated, conductors. The conductors must therefore be mounted on post constructions so that sufficient distance is allowed between the conductors to prevent them hitting each other.

På den annen side anvendes PAS-linjer, som er luftledere forsynt med en enkelt plastkappe, i spenningsområdet på 20 kilovolt for å erstatte nakne ledere. Isolatoren er ofte en tverrbundet polyetylen (XLPE) (PEX). Isolasjonen er dimensjonert for å motstå spenningspåkjenninger som er et resultat av at lederne slår mot hverandre, men ikke for å isolere lederen fullstendig som i kabler. Ofte tilveiebringer en PAS-leder et alternativ til den mye dyrere løsningen med jordkabel. On the other hand, PAS lines, which are overhead conductors fitted with a single plastic sheath, are used in the voltage range of 20 kilovolts to replace bare conductors. The insulator is often a cross-linked polyethylene (XLPE) (PEX). The insulation is dimensioned to withstand voltage stresses that result from the conductors hitting each other, but not to isolate the conductor completely as in cables. Often a PAS conductor provides an alternative to the much more expensive ground cable solution.

Isolasjonen eller kappene blir ikke brukt i ledere for spenninger over omkring 60 kilovolt og spesielt ikke i høyspenningsledere for 110 kilovolt og høyere, siden de kjente isolasjonslag som anvendes i luftledninger, bør ha betydelig tykkelse for å tilveiebringe tilstrekkelig isolasjon. Stolpekonstruksjonene, isolatorene og isolasjons-og leder-festene er derfor hovedsakelig konstruert for nakne ledere. The insulation or sheaths are not used in conductors for voltages above about 60 kilovolts and especially not in high-voltage conductors for 110 kilovolts and higher, since the known insulation layers used in overhead lines should have considerable thickness to provide sufficient insulation. The post constructions, insulators and insulation and conductor fixings are therefore mainly designed for bare conductors.

I løpet av det siste tiår er oppmerksomheten i økende grad blitt rettet mot de elektriske og magnetiske felter som genereres av kraftlinjer og deres mulige virkninger på helsen til de som bor i nærheten. Grenser for de magnetiske felter fra kraftlinjer har allerede blitt spesifisert i noen stater i USA og i Italia. Over the past decade, attention has increasingly been directed to the electric and magnetic fields generated by power lines and their possible effects on the health of those living nearby. Limits for the magnetic fields from power lines have already been specified in some states in the USA and in Italy.

Elektriske og magnetiske felter som frembringes av luftlinjer, kan påvirkes av den relative posisjonering av lederne i tverrsnittplanet. Anbringelse av lederne så nær hverandre som mulig, for eksempel ved hjørnene av en likesidet trekant, gjør det mulig å oppnå de minste felter. Ledere som er brakt nær hverandre, krever også smalere ledningsgater, og dette vil gi innsparinger i det minste ved ervervelse av land. De minsteavstander som er nødvendige for at høyspente, nakne ledere ikke skal kortsluttes, gi overslag og korona-virkninger, har imidlertid i praksis hindret enhver reduksjon av betydning når det gjelder de elektriske og magnetiske felter i ledningsgater og deres umiddelbare nærhet. Electric and magnetic fields produced by overhead lines can be affected by the relative positioning of the conductors in the cross-sectional plane. Placing the conductors as close to each other as possible, for example at the corners of an equilateral triangle, makes it possible to obtain the smallest fields. Conductors that are brought close to each other also require narrower conduit streets, and this will provide savings at least in the case of land acquisition. However, the minimum distances that are necessary so that high-voltage, bare conductors are not short-circuited, cause flashovers and corona effects, have in practice prevented any significant reduction in terms of the electric and magnetic fields in cableways and their immediate vicinity.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en høyspent leder hvorved luftlinjer som er egnet for smalere ledningsgater og som genererer svakere elektriske og magnetiske felter, kan realiseres. For å oppnå dette formålet er høyspenningslederen ifølge oppfinnelsen kjennetegnet ved at lederen er dekket med en isolasjon og skjermet mot overslag generert ved kontakt med en annen leder, idet isolasjonsbelegget på lederen omfatter et halvledende lag som omgir lederen, et ytre isolasjonslag på overflaten, og et isolasjonslag mellom disse. It is an object of the present invention to provide a high-voltage conductor by which overhead lines which are suitable for narrower wiring paths and which generate weaker electric and magnetic fields can be realized. In order to achieve this purpose, the high-voltage conductor according to the invention is characterized by the fact that the conductor is covered with an insulation and shielded from flashover generated by contact with another conductor, the insulation coating on the conductor comprising a semi-conductive layer that surrounds the conductor, an outer insulation layer on the surface, and a insulation layer between them.

Med passende valg av isoiasjonslaget i lederen ifølge oppfinnelsen og med betydelig arbeid investert i forskjellige forsøk for å bestemme sikkerheten og styrken til lederne, er det uventet blitt oppnådd en tynn høyspenningsleder som er økonomisk å fremstille. Denne lederen løser hoveddelen av de problemer som er forbundet med kraftlinjer av konvensjonell konstruksjon. Ved å bruke lederen ifølge oppfinnelse, kan ledningsgater minskes fra den nåværende bredde på omkring 15 meter til omkring halvparten (vertikal oppsetting) med spenninger på for eksempel 110 kilovolt, og for eksempel styrken av magnetfeltene er betydelig minsket fra feltstyrken til de nåværende linjer. With appropriate selection of the insulation layer in the conductor according to the invention and with considerable work invested in various trials to determine the safety and strength of the conductors, a thin high voltage conductor which is economical to manufacture has unexpectedly been achieved. This conductor solves the majority of the problems associated with power lines of conventional construction. By using the conductor according to the invention, wire lanes can be reduced from the current width of about 15 meters to about half (vertical setup) with voltages of, for example, 110 kilovolts, and for example the strength of the magnetic fields is significantly reduced from the field strength of the current lines.

Andre foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen er kjennetegnet på den måte som fremgår av de etterfølgende krav. Other preferred embodiments of the invention are characterized in the manner that appears from the following claims.

I det følgende skal. oppfinnelsen beskrives med detaljer ved hjelp av eksempler med henvisning til den vedføyde figur som illustrerer en leder ifølge oppfinnelsen. In what follows, the invention is described in detail by means of examples with reference to the attached figure illustrating a conductor according to the invention.

Figur 1 viser et eksempel på en 110 kilovolt leder omfattende en sirkulær leder av aluminiumslegering, omgitt av tråder 3 og med en diameter på omkring 20 millimeter. Innsiving av vann mellom lagene i lederen er blitt forhindret for eksempel ved hjelp av fett eller et fuktighetsutvidende pulver. Lederkappen 4 er av et halvledende plast- eller gummi-materiale. Halvledningsevnen er vanligvis blitt oppnådd ved å dope et tverrbundet isolasjonsmateriale med omkring 30 - 40 prosent kjønrøk (når kjønrøk-isolator blir brukt, kan halvledningsevne oppnås med så lite som 10 % doping), len 110 kilovolt isolasjonsbelagt leder er laget som utgjør lederkappen omkring 1-2 mm i tykkelse. Formålet med lederkappen er å nøy-tralisere spenningstopper på den ujevne overflaten til lederen som er omspunnet med metalltråder, og å forhindre frembringelse av utladningssteder. Figure 1 shows an example of a 110 kilovolt conductor comprising a circular conductor of aluminum alloy, surrounded by wires 3 and with a diameter of about 20 millimeters. Infiltration of water between the layers of the conductor has been prevented, for example, by means of grease or a moisture-expanding powder. The conductor sheath 4 is made of a semi-conductive plastic or rubber material. Semiconductivity has usually been achieved by doping a cross-linked insulating material with about 30 - 40 percent carbon black (when carbon black insulator is used, semiconductivity can be achieved with as little as 10% doping), len 110 kilovolt insulated conductor is made which makes up the conductor jacket about 1 -2 mm in thickness. The purpose of the conductor jacket is to neutralize voltage peaks on the uneven surface of the conductor which is wound with metal wires, and to prevent the creation of discharge points.

Det aktuelle isoiasjonslaget 1 som omgir det halvledende laget 4, er av XLPE-plast med høy renhet og en tykkelse på for eksempel omkring 5 mm for 110 kilovolt spenning. Høy renhet er nødvendig for å minimalisere risikoen for overslag gjennom isolasjonsmaterialet ved høye spenninger. Tverrbundet polyetylen blir hovedsakelig brukt på grunn av dens høye renhetsgrad, varmebestandighet, styrke og isolasjons-egenskaper. Det ytre laget er et isolasjonslag på omkring 1,5 mm dopet med for eksempel kjønrøk for å oppnå værbestandighet. Innholdet av kjønrøk er fortrinnsvis 2-3 %, noe som sikrer tilstrekkelige skjermingsegenskaper, for eksempel mot UV-stråling, men som likevel ikke påfører for høy ledningsevne til overflatelaget av lederen. The insulation layer 1 in question, which surrounds the semi-conducting layer 4, is made of XLPE plastic with high purity and a thickness of, for example, around 5 mm for a voltage of 110 kilovolts. High purity is necessary to minimize the risk of flashover through the insulation material at high voltages. Cross-linked polyethylene is mainly used because of its high degree of purity, heat resistance, strength and insulation properties. The outer layer is an insulation layer of around 1.5 mm doped with, for example, carbon black to achieve weather resistance. The content of carbon black is preferably 2-3%, which ensures sufficient shielding properties, for example against UV radiation, but which nevertheless does not impose too high a conductivity on the surface layer of the conductor.

Også etylenpropylengummi, d.v.s. EP-gummi (EDPM eller EPR), kan brukes som råmateriale istedenfor en tverrbundet polyetylen (XLPE, PEX). Also ethylene propylene rubber, i.e. EP rubber (EDPM or EPR), can be used as raw material instead of a cross-linked polyethylene (XLPE, PEX).

Ytterligere data for ledereksempelet med 110 kilovolt ifølge oppfinnelsen: Ytre diameter omkring 39 mm, masse 1730 kg/km, bruddbelastning 108 kN og nominell strømverdi 660 A. I tillegg til vekselstrømslinjer kan lederen ifølge oppfinnelsen like godt anvendes for likestrøms kraftoverføring, i hvilket tilfelle de tre faselederne for eksempel blir erstattet av to ledere (strøm + jord). Additional data for the conductor example with 110 kilovolts according to the invention: Outer diameter around 39 mm, mass 1730 kg/km, breaking load 108 kN and nominal current value 660 A. In addition to alternating current lines, the conductor according to the invention can just as well be used for direct current power transmission, in which case the the three phase conductors, for example, are replaced by two conductors (current + earth).

Lederen ifølge oppfinnelsen er således belagt med et isolasjonsmateriale som er langt tynnere enn i en vanlig kabelkonstruksjon. Isoiasjonslaget er spesielt dimensjonert for å motstå faseledere som slår sammen innenfor spennet. Dermed er det ikke gjort noe forsøk på å isolere lederne fullstendig med et isolasjonslag, men lekkstrømmer i størrelsesorden milliampere finnes ved det ytre laget, og derfor er det meget farlig å berøre for eksempel en 110 kilovolt leder med bare hendene. The conductor according to the invention is thus coated with an insulating material which is much thinner than in a normal cable construction. The insulation layer is specially designed to resist phase conductors that fuse together within the span. Thus, no attempt has been made to insulate the conductors completely with an insulation layer, but leakage currents of the order of milliamps are found at the outer layer, and therefore it is very dangerous to touch, for example, a 110 kilovolt conductor with bare hands.

I forsøk hvor en spenning på 120 kilovolt ble påtrykket mellom to ledere, ble lederne slått sammen 540000 ganger uten overslag. Videre ble en lenetest på 17 dager utført på de samme lederne; i denne testen lente lederne seg mot hverandre uten overslag. Lederne ifølge oppfinnelsen blir således tillatt å slå mot hverandre, for eksempel på grunn av virkningen av kortslutningskrefter eller vind. De nød-vendige minsteavstander mellom lederne må således beregnes på annet grunnlag og avhengig av situasjonen, enn kriteriene for et tilfelle med kortslutning. Det har vist seg mulig å redusere avstandene mellom 110 kilovolts faseledere fra de av-stander på 2 meter som brukes for tiden, til omkring halvparten av denne avstanden. In experiments where a voltage of 120 kilovolts was applied between two conductors, the conductors were joined together 540,000 times without overshoot. Furthermore, a recline test of 17 days was carried out on the same leaders; in this test, the leaders leaned against each other without hesitation. The conductors according to the invention are thus allowed to hit each other, for example due to the effect of short-circuit forces or wind. The necessary minimum distances between the conductors must therefore be calculated on a different basis and depending on the situation, than the criteria for a case with a short circuit. It has proven possible to reduce the distances between 110 kilovolt phase conductors from the distances of 2 meters currently used, to about half of this distance.

I alle tilfeller har det vist seg at skjermede ledere ifølge oppfinnelsen muliggjør betydelig reduksjon av faseavstander og tilbakeskjæring i ledningsgater. En følge av dette er den lille størrelsen på de elektriske og magnetiske feltene som genereres av linjen med skjermede ledere i sammenligning med konvensjonelle linjer. In all cases, it has been shown that shielded conductors according to the invention enable a significant reduction of phase distances and cut-back in cable paths. A consequence of this is the small size of the electric and magnetic fields generated by the line with shielded conductors in comparison with conventional lines.

Tabell 1 viser kurver som illustrerer magnetflukstetthetene til en høyspent luftlinje på bakken for for-skjellige ledertyper. Sammenligningen omfatter en konvensjonell ikke-isolert linje med horisontale, triangulære og vertikale konfigurasjoner med vanlige faseavstander på 2 meter, og en skjermet PAS-linje i henhold til oppfinnelsen med horisontale, vertikale, triangulære og delta-konfigurasjoner med faseavstander på 1,15 meter. De grunnleggende data for måleresultatene som er vist i tabell 1, er som følger: Table 1 shows curves illustrating the magnetic flux densities of a high-voltage overhead line on the ground for different conductor types. The comparison includes a conventional non-insulated line with horizontal, triangular and vertical configurations with common phase distances of 2 meters, and a shielded PAS line according to the invention with horizontal, vertical, triangular and delta configurations with phase distances of 1.15 meters. The basic data for the measurement results shown in Table 1 are as follows:

-U = 123 kV -U = 123 kV

- laststrøm 100 ampere, P = 18 MW - load current 100 amperes, P = 18 MW

- skjermet leder; SAX 355, an = 30 N/mm<2>- shielded conductor; SAX 355, an = 30 N/mm<2>

o o

- naken leder: Duck, oq = 40 N/mm<*>- bare conductor: Duck, oq = 40 N/mm<*>

9 9

- lynleder: Sustrong, oq = 60 N/mm - lightning conductor: Sustrong, oq = 60 N/mm

- temperatur på strømleder +15°C - temperature of power conductor +15°C

- temperatur på lynleder +5°C - temperature of lightning conductor +5°C

- klaring av laveste strømleder fra bakken 5,9 meter ved +70°C (tillatt minstehøyde) - clearance of the lowest power conductor from the ground 5.9 meters at +70°C (minimum permitted height)

- spenn ae = a = 200 m - span ae = a = 200 m

Uttrykt ved magnetfeltet kan følgende observasjoner gjøres på grunnlag av tabell 1: Expressed in terms of the magnetic field, the following observations can be made on the basis of table 1:

- når oppsettingen av lederne er horisontal, avtar maksimalverdien av flukstettheten i en PAS-linje til omkring 1/3 sammenlignet med en tilsvarende ikke-isolert linje. Flukstettheten avtar til nivået på bakgrunnsstrålingen (=0,1 //T) med klaringer på henholdsvis 33 meter og 156 meter fra midten av linjen. - med vertikal oppsetning av lederne avtar maksimalverdien av flukstettheten til en TAS-linje til omkring halvparten sammenlignet med en vanlig linje. Flukstettheten avtar til nivået av bakgrunns-strålingen med klaringer på henholdsvis 33 meter og 18 meter fra midten av linjen. - med triangulær oppsetning av lederne vil maksimalverdien av flukstettheten til linjen ikke skille seg vesentlig fra verdien for en vanlig linje. Flukstettheten avtar imidlertid med PAS-ledere til nivået på bakgrunns-strålingen med en klaring på 21 meter fra midten av linjen, mens en klaring på 25 meter er nødvendig i tilfellet med en ikke-isolert linje. Denne ganske lille forskjellen skyldes det faktum at andre faktorer enn avstand mellom lederne, for eksempel den fri klaring, bestemmer ledernes posisjon. Konstruksjonen er således i grove trekk den samme med begge ledere. Med en PAS-linje ble imidlertid reduksjon til halvparten av toppverdien av den elektriske feltstyrke funnet i målingene. - deltaoppsetning (likesidet trekant) av en PAS-linje er klart den beste løsning i betraktning av de genererte felter. Sammenlignet med en vanlig ikke-isolert horisontal mastlinje er maksimalverdien av flukstettheten bare omkring 1/5, og flukstettheten avtar til bakgrunns-strålingens nivå allerede i en avstand på 13 meter fra linjen. - when the installation of the conductors is horizontal, the maximum value of the flux density in a PAS line decreases to about 1/3 compared to a corresponding non-insulated line. The flux density decreases to the level of the background radiation (=0.1 //T) with clearances of 33 meters and 156 meters respectively from the center of the line. - with vertical arrangement of the conductors, the maximum value of the flux density of a TAS line decreases to about half compared to a normal line. The flux density decreases to the level of the background radiation with clearances of 33 meters and 18 meters respectively from the center of the line. - with a triangular arrangement of the conductors, the maximum value of the flux density of the line will not differ significantly from the value for a normal line. However, the flux density decreases with PAS conductors to the level of the background radiation with a clearance of 21 meters from the center of the line, while a clearance of 25 meters is required in the case of an uninsulated line. This rather small difference is due to the fact that factors other than the distance between the conductors, such as the free clearance, determine the position of the conductors. The construction is thus roughly the same with both conductors. With a PAS line, however, reduction to half of the peak value of the electric field strength was found in the measurements. - delta setup (equilateral triangle) of a PAS line is clearly the best solution considering the generated fields. Compared to an ordinary non-insulated horizontal mast line, the maximum value of the flux density is only about 1/5, and the flux density decreases to the background radiation level already at a distance of 13 meters from the line.

En leder i henhold til oppfinnelsen kan fremstilles ved hjelp av kjente frem-gangsmåter uten noen særlige endringer i forhold til isolerende linjer som fremstilt for eksempel til jordkabler. Ved hjelp av trippel-ekstruderingsteknikken kan alle dekklag på lederen produseres i ett trinn. A conductor according to the invention can be produced using known methods without any particular changes in relation to insulating lines as produced for example for earth cables. Using the triple extrusion technique, all cover layers on the conductor can be produced in one step.

Det er klart for fagfolk på området at forskjellige utførelsesformer av oppfinnelsen ikke er begrenset til de ovenfor angitte eksempler, men kan variere fritt innenfor rammen av de påfølgende krav. It is clear to those skilled in the art that different embodiments of the invention are not limited to the examples given above, but may vary freely within the scope of the following claims.

Claims

1. Conductor in high-voltage line for overhead lines for voltages of around 60 kilovolts and higher, characterized in that the conductor (3) is coated with an insulation and shielded against flashover generated by contact with another conductor, the insulation coating on the conductor (3) comprising a semi-conductive layer (4) which surrounds the conductor, an outer weather-resistant insulating surface layer ( 2), and a real insulation layer (1) between these.

2. Manager according to claim 1, characterized in that crosslinkable polyethylene (XLPE) is used as insulation material.

3. Manager according to claim 1, characterized in that EP rubber material (EPDM or EPR) is used as insulation material.

4. Manager according to claim 1, characterized in that the weather-resistant, insulating surface layer (2) is produced by adding around 2-3% carbon black to the insulating material.

5. Application of an insulation-coated conductor (3) shielded against flashover generated by contact with another conductor, which insulation coating comprises a surrounding, semi-conductive layer (4), an outer weather-resistant insulating surface layer (2) and a real insulation layer (1) between these , in alternating current and direct current overhead lines for voltages of around 60 kilovolts and higher.