Vyřeší nové typy vodičů venkovních vedení problémy s námrazou?

• Foto

PROCES TVORBY NÁMRAZY NA VODIČÍCH VVN

Námraza může sestávat z několika základních typů, které jsou odstupňovány podle jejich hustoty (ledovka, mokrý sníh, těžká námraza, lehká námraza). To, jaký typ námrazy se vytvoří, je dáno atmosférickými podmínkami, jako je teplota vzduchu, rychlost větru, relativní vlhkost a velikost vodních kapek nebo sněhových vloček. Velmi často je námraza tvořena mixem různých typů. Akumulace námrazy je velmi složitý proces, jehož úplný matematický popis je obtížný. Pro studium akumulace námrazy se proto většinou vychází z experimentálních měření, která jsou prováděna ve speciálních námrazových komorách nebo z námrazových stendů, kde je prováděno dlouhodobé měření nárůstu námrazy v přirozeném prostředí. V České republice je takové měření prováděno v blízkosti obce Studnice, a to nepřetržitě od roku 1940, jde tak o zcela unikátní měření i ve světovém měřítku. Kromě popsaných atmosférických podmínek má na růst námrazy vliv i tvar a uspořádání vodičů a také provedení povrchu vodičů. Síla přilnavosti námrazy k podkladu je klíčový parametr, který určuje, kolik ledu se hromadí na vodičích a strukturách. Zároveň také určuje, jak snadné je odstranění vrstvy ledu.

ZOHLEDNĚNÍ NÁMRAZY PŘI NÁVRHU VENKOVNÍCH VEDENÍ

Zohlednění námrazy při návrhu venkovních vedení VVN je dáno výpočtem podle ČSN EN 50341 tzv. referenčního zatížení námrazou IR. Jedná se o zatížení námrazou s dobou návratu 50 let na jeden metr vodiče umístěného ve výšce 10 metrů nad zemí. Česká republika je za tímto účelem rozdělena do několika námrazových oblastí. Referenční zatížení námrazou IR pro jednotlivé námrazové oblasti jsou uvedeny v tabulce 1.

Tab. 1 – Referenční zatížení námrazou (N/m) podle ČSN EN 50341-3

Jak je patrné z tabulky 1, jediným parametrem pro referenční zatížení námrazou je průměr vodiče. Dále by se mělo při výpočtech přihlédnout k zatížení námrazou podpěrných bodů a námrazou na izolátorových závěsech, které přispějí k zatížení ve svislém směru.

OPATŘENÍ PROTI TVORBĚ NÁMRAZY

Tvorba námrazy zvýší mechanické namáhání vodičů a konstrukcí stožárů. Existuje několik metod, jak tvorbu námrazy na vodičích eliminovat nebo odstranit. Obecně se tyto metody dají rozdělit do následujících čtyř skupin:

• Pasivní metody – zahrnují metody k prevenci nebo snížení tvorby námrazy. Tyto metody nevyžadují externí zdroj energie, např. snížení adhezní síly (mechanická úprava povrchu, nátěry), opatření pro zabránění dopadu mrznoucích kapek, kombinace zařízení pro snížení dopadu přetížení vodičů apod.
• Aktivní povlaky a zařízení – vyžadují elektrickou energii, jedná se zejména o použití aktivních dielektrických nebo feromagnetických nátěrů za účelem udržení kladné teploty povrchu vodiče. Tyto metody jsou zatím ve vývoji a komerčně nejsou dostupné.
• Mechanické metody – mechanické odstranění námrazku, např. sklepávání izolační tyčí, mechanické vibrace apod.
• Tepelné metody – zahřívání vodiče k zabránění vzniku námrazy nebo jejímu odstranění, např. stejnosměrným nebo střídavým proudem.

Nejčastěji se při odstraňování námrazy na vodičích venkovních vedení využívá mechanických a tepelných metod. Oblast speciálních nátěrů (nano-coating, painting) je ve stádiu intenzivního výzkumu a je otázkou, zda v budoucnosti najde v oblasti venkovních vedení praktické uplatnění.

NOVÉ TYPY VODIČŮ PŘI PŮSOBENÍ NÁMRAZY

Nové trendy ve vývoji technologie vodičů pro venkovní vedení jsou v dnešní době zaměřeny na oblast HTLS (high temperature low sag) vodičů. Zde se stále více prosazují kompozitní vodiče, které mají jádro z uhlíkových vláken. Tyto vodiče mají výjimečné elektrické, mechanické a teplotní vlastnosti. Zejména jde o velmi vysoký poměr mechanické pevnosti a váhy, vysoký podíl hliníku na jednotku váhy, jádro vodiče je velmi pevné, ale ne křehké a vykazuje velmi malou teplotní roztažnost.

Uvedené vlastnosti splňují například vodiče ACCC od americké společnosti CTC Global (Pozn. tuto firmu na českém a slovenském trhu zastupuje společnost ODEM GROUP a.s.). Vodiče byly nasazeny na mnohých místech světa. Jsou lehké, pevné, hladké a bez permanentních změn.

Z hlediska zatížení námrazou je podstatné, že tyto nové vodiče mají zhruba třikrát větší mechanickou pevnost a přibližně poloviční modul pružnosti než klasické vodiče s ocelovým jádrem. Zároveň jsou až čtyřikrát lehčí. Konkrétně jde například o vodič ULS, který uvedených vlastností dosahuje díky speciální úpravě svého jádra.

Tyto vodiče tak unesou dvoj- až trojnásobek své váhy, tedy zatížení od námrazku, než je dosaženo maximálního povoleného teplotního průhybu vodiče. Při větším zatížení, stejně tak jako u jiných vodičů, lze krátkodobé prodloužení průhybu lana vyřešit přizpůsobením vzdáleností nebo výjimkou. Protože tyto vodiče jsou elastické, bez permanentních změn, je zde zaručen návrat do bezporuchového stavu. Další pozitivní vlastností je vyšší ampacita kompozitních lan v porovnání s klasickými vodiči stejného průřezu. Jak bylo uvedeno v části o návrhu venkovních vedení, stanovení referenčního zatížení námrazou jsou pro jednotlivé námrazové oblasti závislé na průměru vodiče. Při stejné ampacitě vedení lze tak snížit v námrazových oblastech průměr vodičú, a snížit tak zatížení vodiče námrazou. Navíc nové typy vodičů jsou dnes dodávány v provedení s lichoběžníkovým tvarem vodičů, tedy s hladším povrchem, a tedy s větší odolností proti tvorbě námrazy.

V případě kritických námrazových oblastí lze použít speciálních kompozitních lan, které mají zesílené jádro. 

ZÁVĚR

Česká republika nepatří mezi typické oblasti s kritickým výskytem námrazy. Nicméně v současné době velmi prudkých klimatických změn může dojít k velmi rychlému vzniku námrazy na elektrických vedeních s důsledky na dodávku elektrické energie (viz událost z roku 2014 u Velkého Meziříčí). Každý návrh venkovních vedení by měl být prováděn také s ohledem na zkušenosti provozovatele vedení a lokální klimatické podmínky. Při aplikaci nových typů vodičů je nutné zohlednit jejich specifické mechanické a elektrické parametry a charakteristiky oproti klasickým vodičům. V tomto článku prezentované vodiče řady ULS se však ve všech sledovaných základních parametrech, ovlivňujících ice load, jeví jako velmi vhodné řešení i v extrémních případech a lokalitách.

Are the new types of outdoor line conductors going to solve the ice formation problems?
Heavy ice or wet snow which accumulates on ground and phase conductors of outdoor lines may cause significant electricity supply failures. An example from the recent past may be the 1998 snowstorm in Quebec, Canada, when a domino effect took place and the supply cut affected four million customers, and in some areas even for several weeks. Due to the impact of ice formation or snow on outdoor lines, conductors and electricity pylons may be mechanically overloaded by the effect of the heavy weight of accumulated ice, or the electric strength of insulators may be reduced. The design of outdoor power lines has to presuppose these factors and take them into consideration in the course of computation. At the same time, new types of conductors with different attributes and characteristics than those of classic conductors fitted with a steel cable are coming to the fore. It is thus important to openly discuss queries related to this issue and solve them.

Autor

• Procházka Radek