RU156801U1 - Провод неизолированный для воздушных линий электропередачи - Google Patents

Abstract

1. Провод неизолированный для воздушных линий электропередачи, содержащий стальной сердечник, выполненный из проволок, концентрические внутренние повивы и внешний повив, выполненные из токопроводящих проволок, отличающийся тем, что указанный внешний повив выполнен с формой поперечного сечения в виде многоугольника, наружная поверхность которого сформирована путем укладки токопроводящих проволок с пропуском в один размер указанной проволоки через каждые 60°, при этом каждая из токопроводящих проволок и проволок, образующих стальной сердечник, имеют в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, причем токопроводящие проволоки и проволоки стального сердечника имеют одинаковые длины сторон правильного шестиугольника.2. Провод неизолированный по п. 1, отличающийся тем, что токопроводящие проволоки изготовлены из алюминиево-циркониевого сплава.3. Провод неизолированный по п. 1, отличающийся тем, что токопроводящие проволоки изготовлены из алюминия.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к конструкции неизолированных многопроволочных проводов для воздушных линий электропередачи.

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 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 провод, конструкция которого содержит несущий сердечник круглой формы, выполненный из одной или нескольких скрученных круглых стальных оцинкованных проволок, поверх сердечника наложена в один или несколько концентрических повивов токопроводящая проволока из алюминия или его сплава, при этом каждая токопроводящая проволока имеет выгнутую и вогнутую боковые стороны, а примыкающие друг к другу в одном повиве передняя и задняя части проволоки имеют в сечении стреловидный профиль. Зазор между сердечником и повивом из токопроводящих проволок заполнен антикоррозионной смазкой. Заявляемое конструктивное выполнение провода обеспечивает снижение габаритных размеров кабеля и повышение его рабочей температуры [RU 97203 U1, МПК Н01В 5/10 (2006.01), опубл. 27.08.2010].

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, высокая стоимость, малая боковая поверхность провода для охлаждения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка конструкции неизолированного провода для линий 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 проводе неизолированном для воздушных линий электропередачи, содержащим стальной сердечник, выполненный из нескольких проволок, и несколько концентрических внутренних повивов и внешний повив, выполненные из токопроводящих проволок, новым является то, что указанный внешний повив образован с формой поперечного сечения в виде многоугольника, наружная поверхность которого сформирована путем укладки токопроводящей проволоки с пропуском в один размер указанной проволоки через каждые 60°, при этом каждая из токопроводящей проволоки имеет в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, проволоки, образующие стальной сердечник, имеют в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, причем токопроводящие проволоки и проволоки стального сердечника имеют одинаковые длины сторон правильного шестиугольника. Токопроводящие проволоки могут быть выполнены из алюминия, из алюминиево-циркониевого сплава.

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. Повышается температура провода. 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 многоугольника из токопроводящих проволок, наружная поверхность которого сформирована путем укладки токопроводящей проволоки с пропуском в один размер проволоки через каждые 60° (всего шесть пропусков). При таком расположении токопроводящих проволок провод охлаждается быстрее по сравнению, с проводом круглого сечения, и, следовательно, по проводу можно передать больший ток, при этом температура провода не превысит допустимой температуры рекристаллизации активного материала.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение провода.

На фиг. 2 изображен провод неизолированный скрученный.

На фиг. 1 показано: 1 - стальной сердечник провода; 2 - токопроводящая проволока; 3 - пропуск в один размер токопроводящей проволоки; 4 - периметр поперечного сечения провода; 5 - внутренний проволочный повив; 6 - внешний проволочный повив, образованный с формой поперечного сечения в виде многоугольника, наружная поверхность которого сформирована путем укладки токопроводящей проволоки 2 с пропуском в один размер через каждые 60°.

На фиг. 2 показано: 1 - стальной сердечник провода, проволоки, образующие сердечник, имеют в поперечном сечении форму правильного шестиугольника; 2 - токопроводящая проволока с поперечным сечением формы в виде правильного шестиугольника. Токопроводящие проволоки 2 и проволоки стального сердечника 1 имеют одинаковые длины сторон правильного шестиугольника.

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 формой 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.

Покажем возможность использования провода с поперечным сечением с формой многоугольника.

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 по зависимости [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 по зависимости [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;

Т - абсолютная температура провода, К;

Т₀ - 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;

Р - 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 мм²) у разных фигур, их периметр отличается. В табл. 1 приведены значения периметров различных геометрических фигур.

Из рассмотренных в табл. 1 геометрических фигур самый большой периметр у многоугольника в виде шести лучевой звезды. Для обеспечения снижения наружного диаметра провода и лучшего электрического контакта при обрисовки, у шести лучевой звезды выбран такой внешний проволочный повив 6, который образован с формой поперечного сечения в виде многоугольника, сформированный путем укладки токопроводящих проволок 2 с пропуском в один размер проволоки через каждые 60° (всего шесть пропусков).

Для увеличения плотности заполнения активным материалом в поперечном сечении провода, токопроводящие проволоки 2 и проволоки стального сердечника 1 приняты с формой поперечного сечения правильного шестиугольника, имеющих одинаковые длины сторон.

4. Длительно допустимый ток провода

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

где χ₃ - 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 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;

Р - периметр поперечного сечения провода, м.

Значение коэффициентов а и b принимаются из следующих условий:

- если

то а=0,44; b=0,813;

- если

то а=0,59; b=0,288.

Значение отношения

принимается из следующих условий:

- если

- если

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;

ν₀=4π·10^-7 - магнитная проницаемость, Гн/м;

ν - 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 формой поперечного многоугольника можно не учитывать.

Далее приведены сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели.

Проволоки стального сердечника 1 с поперечным сечением, имеющим форму 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 в форме правильного шестиугольника изготавливают методом волочения катанки из алюминия или его термостойкого сплава, например, алюминиево-циркониевый сплав. Токопроводящие проволоки 2 и проволоки стального сердечника 1 имеют одни размеры правильного шестиугольника.

Для изготовления заявляемого провода неизолированного (фиг. 2) используют современные материалы, металлы и их сплавы на базе существующих технологий с применением волочильного оборудования и оснастки для изготовления профильной проволоки, и крутильного оборудования, содержащего 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. Увеличивая боковую поверхность на 33% у провода с термостойким сплавом по сравнению с прототипом, длительный ток увеличивается на 10% без увеличения поперечного сечения активного материала.

2. Предлагаемый провод по своей конструкции имеет более высокий коэффициент заполнения сечения токопроводящей части металлом по сравнению с аналогом за счет использования проволок с поперечным сечением формой правильного шестиугольника, что позволяет снизить диаметр провода.

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

Claims (3)

1. Провод неизолированный для воздушных линий электропередачи, содержащий стальной сердечник, выполненный из проволок, концентрические внутренние повивы и внешний повив, выполненные из токопроводящих проволок, отличающийся тем, что указанный внешний повив выполнен с формой поперечного сечения в виде многоугольника, наружная поверхность которого сформирована путем укладки токопроводящих проволок с пропуском в один размер указанной проволоки через каждые 60°, при этом каждая из токопроводящих проволок и проволок, образующих стальной сердечник, имеют в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, причем токопроводящие проволоки и проволоки стального сердечника имеют одинаковые длины сторон правильного шестиугольника.

2. Провод неизолированный по п. 1, отличающийся тем, что токопроводящие проволоки изготовлены из алюминиево-циркониевого сплава.

3. Провод неизолированный по п. 1, отличающийся тем, что токопроводящие проволоки изготовлены из алюминия.

Images