ПРОВОД ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована при строительстве воздушных линий электропередачи для защиты от опасных режимов гололедообразования и «пляски» проводов в районах, подверженных гололедно-ветровым нагрузкам.
Образование гололеда на проводах - опасное явление с непредсказуемыми последствиями. В зависимости от интенсивности нарастания и массы образовавшегося гололеда возможны очень тяжелые последствия в электрических сетях всех уровней напряжения. Это: массовые обрывы проводов, многочисленные поломки опор и, как следствие, длительный перерыв в электроснабжении потребителей электроэнергии.
Известны провода линий электропередачи, применяемые на воздушных линиях электропередачи всех классов напряжений и выполняемые в виде одного или нескольких повивов проволок (Бошнякович А.Д. «Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи», М.-Л., 1962 г.).
Известен провод линии электропередачи, состоящий из стального сердечника и нескольких повивов из алюминиевых проволок. Сердечник выполнен из немагнитной азотсодержащей аустенитной стали, обладающей низкой магнитной проницаемостью и повышенной прочностью. Алюминиевые повивы выполнены из проволок различного диаметра, при этом наибольшим является диаметр внешнего повива проволок (патент РФ №2063080, Н01В 5/08, 1996.06.27).
Недостатком аналогов является их подверженность к гололедообразованию и «пляске» проводов. Эти опасные режимы приводят к повреждению опор, проводов, отдельных конструктивных элементов, схлестыванию и перегоранию проводов и существенно снижают эксплуатационную надежность линий электропередачи.
Известны также провода линий электропередачи, содержащие устройства для плавки гололедных отложений и гасители «пляски» проводов, выполняемые в виде конструктивных элементов, навешиваемых на проводе (Бургсдорф В.В., Дьяков А.Ф., Никонец Л.А. и др. «Руководящие указания по плавке гололеда, М.: Минэнерго РФ, 1993 г., «Пляска проводов на воздушных линиях электропередачи 500 кВ». БТИ, М., 1965 г., с.60-65).
Недостатком таких устройств является их сложность, дороговизна, значительные затраты на их установку, эксплуатацию, что вызывает существенное удорожание линий электропередачи.
Известен неизолированный сталеалюминиевый провод с алюминиевыми проволоками во внешнем повиве, содержащем по меньшей мере две диаметрально расположенные стальные проволоки, при этом указанные проволоки в зажиме расположены в вертикальной плоскости (SU а.с. №1793481, Н01В 15/00, 07.02.1993).
Недостатком аналога является диаметральное расположение стальных проволок, что позволяет прогреть только ту часть провода, где расположены стальные проволоки, а остальная часть покроется гололедом. Однако, при малых токах нагрузки (не более 10 А) нагрев провода будет невозможен вообще, и образование гололеда на поверхности провода станет возможным. Кроме того, данное изобретение регламентирует крепление провода в определенном месте (при расположении стальных проволок вертикально), что вызовет определенные неудобства при выполнении монтажных работ.
Известен сталеалюминиевый провод, состоящий из стального сердечника, повивов алюминиевых трубок, свернутых из ленты, и внешних повивов из алюминиевой проволок, в каждом повиве из трубок размещены две алюминиевые проволоки того же диаметра, что и трубки (SU а.с. №137957, Н01В 5/04, 01.01.1961).
Недостатками аналога являются то, что внешний повив состоит только из алюминиевых проволок, следовательно, нагрева поверхности провода не будет и образовавшиеся гололедные отложения не отпадут. Кроме того, данное изобретение решает задачу повышения механической прочности провода, а не изменение электрических свойств провода, которые вызовут нагрев его поверхности для предотвращения оседания гололеда.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является провод линии электропередачи, содержащий центральную проволоку, поверх которой расположен внешний повив проволок, на котором расположен дополнительный повив проволок в количестве не более половины количества проволок полного повива, при этом каждая из проволок указанного дополнительного повива расположена с контактом относительно соседних проволок этого повива (патент РФ №2014652, Н02В 5/08, 1994.06.15). Дополнительный повив на поверхности провода создает ребро, расположенное шагом, равным шагу скрутки самого провода. При этом, дополнительный повив, воздействующий на пограничный слой, создает асимметрию в обтекании провода потоком воздуха, в результате чего он становится аэродинамически устойчивым и менее подверженным к колебаниям, что повышает надежность работы воздушных линий электропередачи в режиме ветровых и гололедно-ветровых нагрузок.
Однако недостатком ближайшего аналога является также невысокая эксплуатационная надежность линии электропередачи.
Задачей полезной модели является повышение эксплуатационной надежности проводов линии электропередачи путем предотвращения образований гололедных отложений и исключения опасных режимов гололедообразований и «пляски» проводов, за счет наличия стали во внешнем повиве и присущих этому металлу электрических свойств, приводящих к нагреву поверхности Провода, и препятствующих тем самым образованию гололеда.
Поставленная задача достигается тем, что в проводе линии электропередачи, содержащем один или несколько повивов стальных и алюминиевых проволок, согласно полезной модели, стальные проволоки в количестве не менее трех и не более половины проволок равномерно чередуются во внешнем повиве, при этом активно-индуктивное сопротивление стальных проволок больше на один порядок и более чем сопротивление алюминиевых проволок.
В заявляемой полезной модели стальные проволоки необходимы. Именно наличие стали во внешнем повиве и присущие этому металлу электрические свойства приводят к нагреву поверхности провода, препятствуя тем самым образованию гололеда. Сущность полезной модели заключается в том, что стальной сердечник сталеалюминиевого провода перемещается на поверхность провода, чередуясь в строго определенном порядке с алюминиевыми проволоками. Наличие стальных проволок на поверхности провода при протекании по нему тока нагрузки будет вызывать нагрев провода, что исключит образование гололеда на проводе. И это возможно только при равномерном чередовании стальных и алюминиевых проволок.
Существо полезной модели поясняется чертежом. На фиг. изображено сечение провода линии электропередачи.
Провод линии электропередачи содержит проволоки с пониженным полным активно-индуктивным сопротивлением 1, например из алюминия, относительно проволок с повышенным активно-индуктивным сопротивлением 2, например из стали. Стальные проволоки в количестве не менее трех и не более половины проволок внешнего повива равномерно чередуются во внешнем повиве. Активно-индуктивное сопротивление стальных проволок больше на один порядок и более чем сопротивление алюминиевых проволок.
Полное активно-индуктивное сопротивление стальной проволоки примерно в 11-24 раза больше, чем сопротивление алюминиевой проволоки, из которой состоит внешний повив провода, а токи в проводах линий электропередачи, препятствующие образованию гололеда, близки или равны токам нагрузки. Таким образом, при протекании токов нагрузки провода линии электропередачи, имеющие во внешнем повиве одну или несколько стальных проволок, имеют подогретую поверхность. В результате этого гололед на них изначально не образуется, чем предотвращаются опасные режимы интенсивных гололедов и «пляски» проводов линий электропередач.
Оценить физический смысл понятия «сопротивление проводника» можно лишь, зная его сечение и задавшись определенной длиной проводника (например, 1 м или 1 км).
Говоря о величине ρ, следует отметить, что она все же связана с полным сопротивлением проводника следующим образом
Z=R+jX,
или
[ГОСТ 839-80Е. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия., с.36].
где R - активное сопротивление проводника. Ом; XL - индуктивное сопротивление проводника, Ом; ХС - емкостное сопротивление. При рассмотрении отдельно взятого проводника XL>>XC, т.е. полное сопротивление проводника носит преимущественно активно-индуктивный характер, сопротивлением ХС можно пренебречь и поэтому
Активное сопротивление R вычисляется по формуле:
[ГОСТ 839-80Е. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия, с.23].
где p - удельное сопротивление материала проводника, Ом*м,
l - длина проводника, м
2
S - площадь сечения проводника, м.
Согласно этой формуле устанавливается связь между удельным сопротивлением проводника p, и его полным (активно-индуктивным) сопротивлением:
т.е. полное (активно-индуктивное) сопротивление проводника зависит от диаметра (сечения S), длины проводника ℓ, сопротивления материала проводника ρ, а также от величин, входящих в понятие «индуктивное сопротивление XL проводника».
Удельное активное сопротивление ρ - величина постоянная и зависит только от материала проводника и температуры окружающей среды. В соответствии с ГОСТ 22265-76 для проводников из материала «алюминий» и «сталь» значение ρ соответственно равно (при t=20°C):
а
-6
ρ =0,026-0,028 Ом*м*10,
с
-6
ρ=0,103-0,137 Ом*м*10,
Взяв средние значения этих величин, получаем
.
Исходя из этого и принимая во внимание формулу (2), можем записать:
2
Активное сопротивление Rc стального цилиндрического проводника длиной 1 м и сечением 1 м больше активного сопротивления Ra алюминиевого проводника такого же размера в 4,4 раза.
2
2
Например, провод марки АС-150/24 (наиболее часто применяемый для воздушной линии напряжением 110 кВ) в соответствии с ГОСТ 839-80Е имеет сечение алюминиевой части 149 мм и сечение стальной части (стального сердечника) 24,2 мм. Отсюда, зная значения p для алюминия и стали (ГОСТ 22265-76), находим значения Rc и Ra для провода АС-150/24:
,
отсюда находим:
т.е. в проводе марки АС-150/24 сопротивление стальных проволок больше сопротивления алюминиевых проволок в 27,5 раза.
Аналогично для сталеалюминиевых проводов других марок определяем в соответствии с ГОСТ 839-80Е:
Табл.1
Марка провода
Расчетные сечения, мм<sup>2 </sup>ГОСТ 839-80Е
Расчетные сопротивления, Ом·10<sup>-3</sup>
Отношение Ra/Rc
Алюминий
Сталь
Ra
Re
АС-70/11
68
11,3
0,4
10,6
26,5
АС-120/27
114
26,6
0,24
4,5
18,7
АС-185/43
185
43,1
0,14
2,8
20,0
АС-240/39
236
38,6
0,11
3,1
28,2
АС-300/66
288,5
65,8
0,09
1,8
20,0
В данной таблице приведены провода (из имеющегося обширного ассортимента), наиболее часто применяемые на воздушных линиях напряжением 35-500 кВ.
Из приведенного выше примера, а также из таблицы видно, что электрическое сопротивление стальной части провода значительно выше электрического сопротивления алюминиевой части провода. Из курса физики известно, что потери мощности в проводнике, или другими словами, его нагрев, определяется по формуле:
2
3
ΔP=IR·10, кBт,
откуда понятно, что нагрев стальных проволок будет происходить значительно сильнее алюминиевых проволок. Этот эффект и положен в основу предлагаемой к рассмотрению полезной модели. В заявленной полезной модели стальные проволоки находятся не в сердечнике как в проводах марки АС, а во внешнем повиве провода, что и позволяет добиться описанного выше технического результата.
Итак, доказано, что:
1. удельное активное сопротивление p - величина постоянная, не зависит от размеров проводника, а зависит только от материала проводника;
2. между p, R и Z существует физическая связь (см. формулу (3));
3. в сталеалюминевом проводе марки АС величина Rc в несколько раз превосходит величину Ra.
Если токи нагрузки несколько меньше токов, препятствующих образованию гололеда, то нагрузка параллельной линии электропередачи переводится на короткое время поочередно на каждую обогреваемую линию электропередачи.
Введение во внешний повив одной или нескольких проволок с повышенным сопротивлением позволяет исключить изначально отложения гололеда на проводах линий электропередач и повысить надежность работы воздушных линий электропередачи всех классов напряжений в гололедно-ветровых регионах.
При применении гололедоаэростабильного провода (ГАСП) отпадает необходимость в дорогостоящих устройствах плавки, организации их проведения и защитных устройствах гашения «пляски» проводов.
При изготовлении провода линии электропередачи стальной сердечник, состоящий из 3-7 проволок диаметром 1,5-2,3 мм выносится во внешний повив и располагается на поверхности провода, равномерно чередуясь с алюминиевыми проволоками.
Как показали опытные испытания, изготовление провода линии электропередачи с указанной одной или несколькими стальными проволоками во внешнем повиве не является трудоемким, а применение провода линий электропередачи ГАСП не требует дополнительных эксплуатационных затрат.