RU156715U1 - Неизолированный провод для воздушных линий электропередачи - Google Patents

Abstract

Неизолированный провод для воздушных линий электропередачи, содержащий стальной сердечник, выполненный из нескольких проволок, и несколько концентрических внутренних и внешних повивов, выполненных из токопроводящих проволок, отличающийся тем, что указанный внешний повив образован с формой поперечного сечения в виде шестилучевой звезды из алюминиевых токопроводящих проволок, каждая из которых имеет в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, при этом проволоки, образующие сердечник, имеют в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, причем указанные правильные шестиугольники имеют одинаковые длины сторон.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а частности к конструкции неизолированных многопроволочных проводов, для воздушных линий электропередачи до класса напряжения 20 кВ.

Известна конструкция сталеалюминевого провода марки АС [ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Утвержден и введен в действие постановлением государственного комитета СССР по стандартам от 23.06.80 №2987], состоящего из стального сердечника, обеспечивающего механическую прочность провода, и одного или нескольких концентрических повивов круглых алюминиевых проволок (активный материал), передающих электрическую энергию. Сердечник провода скручивается из стальных оцинкованных круглых проволок.

Недостатками известной конструкции провода являются: низкий коэффициент заполнения сечения токоведущей части провода активным материалом; низкий длительно допустимый ток при рабочей температуре провода; высокий нагрев провода.

Наиболее близким по технической сущности является конструкция провода неизолированного, состоящего из стального сердечника, выполненного из одной или нескольких оцинкованных проволок с усиленной прочностью, внутреннего проволочного повива и внешнего проволочного повива, выполненных их круглых или профилированных проволок из термостойкого алюминиево-циркониевого сплава с высокой термостойкостью, прочностью и удлинением при разрыве [RU 142850 U1, МПК H01B 5/08 (2006.01), опубл. 10.07.2014].

Недостатки известного провода неизолированного следующие: длительно допустимый ток увеличен за счет повышения температуры рекристаллизации алюминия; проволоки выполнены из специального высокотехнологического термостойкого алюминиево-циркониевого сплава; для подвески провода на опорах требуется специальная линейная арматура, из-за высокой температуры проводника, которая составляет 210°C.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка конструкции неизолированного провода для линии воздушной электропередачи, имеющего повышенные эксплуатационные характеристики.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении пропускной способности линий электропередачи путем увеличения длительно допустимого тока провода без увеличения площади поперечного сечения.

Технический результат достигается тем, что в известном неизолированном проводе для воздушных линий электропередачи, содержащим стальной сердечник, выполненный из нескольких проволок, и несколько концентрических внутренних и внешних повивов, выполненных из токопроводящих проволок, новым является то, что указанный внешний повив образован с формой поперечного сечения в виде шести лучевой звезды из алюминиевых токопроводящих проволок, каждая из которых имеет в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, при этом проволоки, образующие сердечник, имеют в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, причем указанные правильные шестиугольники имеют одинаковые длины сторон.

Заявляемая конструкция неизолированного провода позволяет повысить длительно допустимый ток провода, без увеличения площади поперечного сечения и рабочей температуры. Увеличение длительно допустимого тока осуществляется путем увеличения отдачи количества тепла проводом в окружающую среду от боковой поверхности за счет увеличения периметра поперечного сечения.

Увеличение пропускной способности линий электропередачи с помощью повышения длительно допустимого тока проводника известно. Для этого применяется специальный токопроводящий материал - термостойкий сплав. Однако не известно, что, увеличивая площадь боковой поверхности провода, повышается длительно допустимый ток. Увеличение площади боковой поверхности провода осуществляется путем увеличения длины периметра поперечного сечения провода. Для этого провод формируется в поперечном сечении в виде шести лучевой звезды из алюминиевых проволок, имеющих в поперечном сечении форму правильного шестиугольника. При таком расположения проволок провод охлаждается быстрее по сравнению, с проводом круглого сечения, и, следовательно, по проводнику можно передать больший ток, при этом температура проводника не превысит допустимой температуры рекристаллизации активного материала.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение провода.

На фиг. 2 изображен провод с поперечным сечением в форме шести лучевой звезды.

На фиг. 1 показано: 1 - сердечник провода; 2 - алюминиевая токопроводящая проволока с поперечным сечением в форме правильного шестиугольника; 3 - внутренний проволочный повив; 4 - внешний проволочный повив; 5 - периметр поперечного сечения провода.

На фиг. 2 показано: 1 - сердечник провода с проволоками с поперечным сечением в форме правильного шестиугольника; 2 - алюминиевая токопроводящая проволока с поперечным сечением в форме правильного шестиугольника; 3 - внутренний проволочный повив; 4 - внешний проволочный повив с поперечным сечением в форме шести лучевой звезды.

Основные положения физической сущности конструкции провода с увеличенным длительным допустимым током следующие:

1. Наличие тока в проводе, вызывает его нагрев;

2. Охлаждение провода быстрее при большей его площади боковой поверхности;

3. Периметр геометрических фигур (треугольник, круг, шестиугольник, шести лучевая звезда) разный при одинаковой площади;

4. Коэффициент заполнения полного сечения многопроволочного провода активным материалом выше у проволок с поперечным сечением в форме правильного шестиугольника по сравнению с сечением круглой формой.

5. Плотность тока в проводе с радиусом 11,95 мм (9,554 мм) из активного материала алюминия (меди) с поперечным сечением формой шести лучевая звезда при 50 Гц распределяется равномерно в поперечном сечении.

6. Провода формой шести лучевая звезда, при передаче электроэнергии в напряжениях 6-20 кВ, создают вокруг своей поверхности неравномерное электрическое поле, которое не ионизирует воздух (потери электроэнергии на корону незначительные).

Покажем возможность использования провода с поперечным сечением в форме шести лучевая звезда.

Обоснование конструкции

1. Количество выделяемого тепла при протекании тока

При протекании длительно допустимого тока провод нагревается в соответствии с законом Джоуля - Ленца. Максимальное количество тепла без нарушения механической прочности провода, выделяемого в проводнике за единицу времени, определяется [Александров Г.Н. Передача электрической энергии / Г.Н. Александров. - 2-е изд. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - 412 с.(Энергетика в политехническом университете). - С. 16]:

где I_дл.доп - ток, нагревающий провод при заданных климатических условиях до допустимой температуры по условиям механической прочности провода, А [СТО 56947007-29.240.55.143-2013 Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов воздушных линий. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2013];

R_Э - удельное активное сопротивление проводника, Ом/м;

ρ_t - удельное электрическое сопротивление проводов при температуре провода 25°C, Ом·м;

F - площадь поперечного сечения, мм².

Температура нагрева провода во многом зависит от активного сопротивления и условий окружающей среды.

2. Охлаждение провода

Охлаждение провода происходит путем излучения и конвекции. Количество тепла, отдаваемого проводом (единичной длины) в окружающую среду в единицу времени определяется [Александров Г.Н. Передача электрической энергии / Г.Н. Александров. - 2-е изд. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - 412 с. (Энергетика в политехническом университете). - С. 16]:

где α_Т - коэффициент теплоотдачи, зависящий от температуры провода и его размера, Вт/(м²·К);

S_п.б. - площадь боковой поверхности провода на 1 м длины провода, м²;

T - абсолютная температура провода, К;

T₀ - абсолютная температура окружающей среды (на территории России рекомендуется принимать t₀=25°C), К.

Площадь боковой поверхности единицы длины провода выражается формулой:

где L - длина проводника, мм;

P - периметр площади поперечного сечения проводника, м.

Анализ соотношений (3), (4) показывает, что, увеличение периметра поперечного сечения провода, увеличивает площадь боковой поверхности единичной длины провода, и, следовательно, количество отводимого тепла от его поверхности.

3. Периметр геометрических фигур

Из геометрии известно, что при одинаковой площади (например, 120 мм) у разных фигур, их периметр отличается. В табл. 1 приведены значения периметров различных геометрических фигур.

Таким образом, из рассмотренных в табл. 1 геометрических фигур самый большой периметр у шести лучевой звезды, поэтому форма поперечного сечения внешнего проволочного повива 4 провода выбрана в виде шести лучевой звезды.

Для увеличения плотности заполнения активным материалом в поперечном сечении провода, алюминиевые токопроводящие проволоки 2 приняты с формой поперечного сечения правильного шестиугольника.

4. Длительно допустимый ток провода

Длительно допустимый ток провода найдем, приравняв правые части выражений (1) и (2) с учетом выражения (3):

где χ_з - коэффициент заполнения провода активным материалом. Соотношение (4) показывает зависимость длительно допустимого тока от периметра поперечного сечения провода.

5. Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи нагретого провода, обтекаемого воздухом, температура которого меньше температуры провода, равен:

где α_К - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²·К);

α_И - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²·К).

Коэффициент теплоотдачи излучения зависит от температуры наружной поверхности провода и находится по закону Стефана-Больцмана:

где ε - коэффициент черноты поверхности провода;

С₀=5,7·10^-8 Вт/(м²К⁴) - постоянная излучения абсолютно черного тела,

Т - абсолютная температура провода, К;

Т₀ - абсолютная температура окружающей среды, К. Коэффициент теплоотдачи конвекции, который зависит от периметра поперечного сечения провода [RU 2417905 С1] и определяется соотношением:

где a, b - постоянные коэффициенты;

λ=0,026 Вт/(м·К) - теплопроводность воздуха;

ν=1,51·10^-5 м²/с - кинетическая вязкость воздуха;

υ=0,6 м/с - скорость ветра;

P - периметр поперечного сечения провода, м.

Значение коэффициентов a и b принимаются из следующих условий:

- если

, то a=0,44; b=0,813;

- если

, то a=0,59; b=0,288.

Значение отношения

принимается из следующих условии:

- если

, то

;

- если

, то

.

Соотношение (7) показывает, что увеличение периметра поперечного сечения уменьшает коэффициент теплоотдачи конвекции.

6. Скин-эффект

Плотность постоянного тока распределяется по сечению провода равномерно.

При переменном токе наблюдается вытеснение тока с его объема проводника к поверхности, глубина которого называется толщиной скин-слоя [Богачков И.В. Электромагнитные поля и волны. Часть 1 / И.В. Богачков. - уч. пособ. для вузов - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014].

Толщина скин-слоя в проводнике определяется формулой:

где f - частота, Гц;

σ - удельная проводимость, См/м;

µ₀=4π·10^-7 - магнитная проницаемость, Гн/м;

µ - относительная магнитная проницаемость (для алюминия - 1,00026; для меди - 0,9999904).

Анализ соотношения (8), показывает толщина скин-слоя зависит от частоты электромагнитного поля и материала проводника, так при частоте 50 Гц, толщина скин-слоя у алюминия 11,95 мм, а у меди - 9,554 мм.

Радиус у провода по [ГОСТ 839-80] АС-120/19 составляет - 7,6 мм, провода АС-300/39 - 12 мм.

Таким образом, скин-эффект у алюминиевого провода с радиусом до 12 мм можно не учитывать.

7. Условие коронирования провода

Вокруг провода возникает разряд в виде короны при максимальном значении начальной критической напряженности электрического поля [Рожкова Л.Д. Электрооборудование станций и подстанций / Л.Д. Рожкова, B.C. Козулин. - учебник для техникумов. - М: Изд-во «Энергия», 1975. С. 281-283]:

где m - коэффициент, учитывающий неровность поверхности провода (для многопроволочных проводов m=0,82);

r₀ - радиус провода, см.

Напряженность электрического поля около поверхности нерасщепленного провода определяется по выражению:

где U - линейное напряжение, кВ;

D_ср - среднегеометрическое расстояние между проводами фаз, см.

Провода не коронируют, если наибольшая напряженность поля у поверхности любого провода не более 0,9·E₀. Таким образом, условие проверки на корону можно записать в виде:

Анализ выражений (9)…(11) показывает, что при увеличении периметра поперечного сечения провода или линейного напряжения условие коронирования провода повышается.

В табл. 2 выполнено сравнение для классов напряжения 6-35 кВ условия коронирования провода с поперечным сечением формой шести лучевая звезда.

Исходя из табл. 2 по условиям короны, провод с поперечным сечением шести лучевая звезда, можно использовать только в классах напряжения 6-20 кВ.

Согласно приведенным выше положениям физической сущности, конструкция провода с поперечным сечением в виде шести лучевой звезды, состоящего из алюминиевых токопроводящих проволок 2 с поперечным сечением в виде правильного шестиугольника, форма которого обеспечивает снижение коэффициента заполнения, позволяет увеличить длительно допустимый ток. При этом у провода площадь поперечного сечения не увеличена и количество активного материала (алюминия, меди и т.п.) в проводе осталось без изменения.

Такой провод можно использовать в народном хозяйстве для воздушных линий электропередачи до класса напряжения 20 кВ.

Неизолированный провод для воздушных линий электропередачи изготавливают по шнуровой (пучковой) системе скрутки.

Проволоки сердечника 1 с поперечным сечением формой правильного шестиугольника изготавливают методом волочения катанки, из углеродистой конструкционной стали, при этом на стальную проволоку наносят цинковое покрытие определенной толщины. Токопроводящую проволоку 2 с поперечным сечением формой правильного шестиугольника изготавливают методом волочения катанки из алюминия или его термостойкого сплава. Стороны правильного шестиугольника токопроводящих алюминиевых проволок 2 и стороны правильного шестиугольника стальных проволок сердечника 1 имеют одинаковые длины.

Сердечник 1 провода и алюминиевые токопроводящие проволоки 2 укладывают в форму шести лучевой звезды (фиг. 1) и скручивают вместе в одну сторону на крутильной машине по спирали с определенным шагом скрутки, при этом одну проволоку размещают в центре сердечника 1. Скрутка может быть правой или левой. Также неизолированный провод может быть изготовлен из современных материалов, металлов и их сплавов на базе существующих технологий с применением волочильного оборудования и оснастки для изготовления профильной проволоки, и крутильного оборудования, содержащие узлы для скрутки профильных проволок.

Параметры известных неизолированных проводов (аналог, прототип) и предлагаемого провода для расчета длительно допустимого тока приведены в табл. 3.

Сравнительный анализ расчетных параметров в табл. 3 показывает:

1. Провод с увеличенной боковой поверхностью имеет большую площадь, следовательно, охлаждение данного провода происходит интенсивнее, длительно допустимый ток по сравнению с аналогом увеличивается на 5% без использования термостойкого сплава;

2. Увеличивая боковую поверхность на 33% у провода с термостойким сплавом, длительный ток увеличивается на 10% без увеличения поперечного сечения активного материала.

3. Предлагаемый провод по своей конструкции имеет более высокий коэффициент заполнения сечения токопроводящей части металлом за счет использования проволок с поперечным сечением в форме правильного шестиугольника.

Таким образом, заявляемый неизолированный провод обладает улучшенными техническими характеристиками, что позволяет больше передавать электроэнергии по ЛЭП.

Claims (1)

1. Неизолированный провод для воздушных линий электропередачи, содержащий стальной сердечник, выполненный из нескольких проволок, и несколько концентрических внутренних и внешних повивов, выполненных из токопроводящих проволок, отличающийся тем, что указанный внешний повив образован с формой поперечного сечения в виде шестилучевой звезды из алюминиевых токопроводящих проволок, каждая из которых имеет в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, при этом проволоки, образующие сердечник, имеют в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, причем указанные правильные шестиугольники имеют одинаковые длины сторон.

   

Images