Materiały przyszłości w produkcji przewodów wysokiego napięcia – lekkie, wytrzymałe, efektywne

Aby linia energetyczna spełniała swoją rolę i zapewniała wysoki poziom bezpieczeństwa oraz jakości, konieczne jest stosowanie odpowiednich materiałów do jej budowy. Kluczowe znaczenie mają kable energetyczne, za sprawą których odbywa się przesył energii elektrycznej w ramach całej sieci. Ich konstrukcja zależy m.in. od rodzaju linii, w jakich są wykorzystywane. Jakie materiały i przewody wysokiego napięcia stosuje się w liniach WN?

Linie wysokich napięć w Polsce mają wartość napięcia wynoszącą 110 kV. Wykorzystuje się je do przesyłania energii do stacji WN lub SN. Linia kablowa rozciąga się najczęściej na odległości od kilkunastu do kilkudziesięciu kilometrów. Przewody WN muszą zatem cechować się taką konstrukcją, by zapewnić niezawodne działanie i bezpieczeństwo. Tym samym, muszą być wykonane z materiałów, które z jednej strony mają odpowiednie właściwości elektryczne, ale także muszą cechować się odpowiednią odpornością mechaniczną czy termiczną. Jakie rozwiązania stosuje się w konstrukcji przewodów w liniach wysokiego napięcia?

Czym powinny charakteryzować się przewody wysokiego napięcia?

Stosowane w liniach energetycznych przewody muszą spełniać określone wymagania. Z jednej strony powinny cechować się niską rezystancją, by zminimalizować ryzyko spadków napięcia czy strat energetycznych. Jednocześnie, przewody muszą posiadać określoną wytrzymałość na rozciąganie, być odporne na korozję, posiadać określoną elastyczność, a także ciężar czy średnicę.

Standardy i parametry, które powinny spełniać przewody linii napowietrznych, są określone przez międzynarodowe oraz krajowe normy i standardy. Normy te są różne w zależności od materiałów, z których przewody są wykonane – przewody wykonane z aluminium i stopów czy wzmacniane stalą bądź przewody charakteryzujące się wyższą odpornością na uszkodzenia mechaniczne.

Budowa linii kablowych WN najczęściej wiąże się z wykorzystywaniem przewodów różnych typów. Mogą być to np. przewody ACSR, AAAC, czy ACAR. Są to zatem przewody aluminiowe z rdzeniem stalowym, wykonane z aluminium czy też aluminiowe z rdzeniem ze stopów aluminium.

Materiały wykorzystywane do produkcji kabli energetycznych

W produkcji kabli energetycznych stosuje się różne materiały, np.:

• aluminium
• miedź
• nowoczesne materiały, np. kompozyty, nanoprzewodniki

Zastosowanie aluminium

Jednym z podstawowych materiałów stosowanych w przemyśle energetycznym jest aluminium. Wykorzystuje się je głównie w sytuacjach, gdzie konieczne są lekkie przewody wysokiego napięcia. Aluminium cechuje się bowiem lekkością, a także stosunkowo niskimi kosztami, zwłaszcza w porównaniu do innych wykorzystywanych materiałów. Wszystkie wymienione wyżej rodzaje przewodów ACSR, ACAR czy AAAC wykorzystują w swojej konstrukcji aluminium.

Aluminium ponadto cechuje się dobrą przewodnością elektryczną, chociaż gorszą niż np. miedź oraz stosunkowo wysoką odpornością na korozję. Minusem tego materiału jest tendencja do utleniania się oraz mniejsza wytrzymałość mechaniczna i wyższy opór elektryczny, co przyczynia się do zwiększonych strat energii.

Zastosowanie miedzi

Miedź jest świetnym przewodnikiem elektrycznym i cechuje się wysoką odpornością termiczną, jak też wytrzymałością mechaniczną. Wszystkie te cechy sprawiają, że stanowi dobry wybór w sytuacjach, gdy potrzebne są wytrzymałe przewody wysokiego napięcia. Dodatkowo, do jej cech należy zaliczyć wysoką odporność na korozję. Konstrukcja kabli miedzianych sprawia, że eksploatacja linii elektroenergetycznej jest mniej wymagająca, ponieważ nie ma konieczności usuwania warstwy tlenku, która pojawia się na przewodach aluminiowych.

Kable miedziane wysokiego napięcia wykorzystuje się dość powszechnie w celu przesyłania prądu od elektrowni do stacji energetycznych, a ostatecznie do odbiorców końcowych. Pozwalają efektywnie przesyłać duże ilości energii na długie odległości, ograniczając jej straty. Z drugiej strony należy jednak zauważyć, że miedź jest wyraźnie droższa niż aluminium, co może stanowić wyzwanie w kontekście całkowitych kosztów inwestycji.

Nowoczesne materiały, np. kompozyty, nanoprzewodniki

W konstrukcji kabli energetycznych mogą być wykorzystywane także inne materiały. W ramach warstwy izolacyjnej stosuje się polimery, które mają za zadanie chronić przewody przed warunkami atmosferycznymi czy uszkodzeniami mechanicznymi. Inne materiały na przewody WN to np. nanomateriały. Szczególnie interesujący w tym kontekście jest grafen, o którym mówi się, że może być jednym z materiałów przyszłości w elektroenergetyce. Cechuje się on doskonałym przewodzeniem energii i przewodnictwem termicznym. Jest niezwykle cienki, dzięki czemu jest lekki, a jednocześnie cechuje się wysoką wytrzymałością. Nic dziwnego, że uważa się go za materiał o wysokim potencjale przemysłowym.

Do konstrukcji kabli elektroenergetycznych w liniach wysokiego napięcia stosuje się także współcześnie kompozyty. Mogą być stosowane np. w połączeniu z aluminium, by zwiększać odporność mechaniczną kabli czy odporność na wysokie temperatury (sprawdź: Technologia HTLS (High Temperature Low Sag). Mogą także być wykorzystywane jako element izolacyjny. Ich wykorzystanie pozwala poprawić parametry kabli, takie jak np. żywotność, ale też ograniczać straty energii.

Nowoczesne materiały w energetyce przyszłości

Materiały przyszłości mogą przyczynić się do zrewolucjonizowania energetyki i znaczącej poprawy efektywności systemów energetycznych. Niektóre z nich są już stosowane w konstrukcji kabli wykorzystywanych w liniach wysokiego napięcia, nad innymi wciąż trwają prace i badania. Należy jednak spodziewać się, że wraz z rozwojem nauki i wiedzy, coraz częściej wdrażane będą technologie, które pozwolą na efektywniejszy, bezpieczniejszy i łatwiejszy przesył energii, wspierając kierunek rozwoju, jakim jest zrównoważona i efektywna energetyka.