КОМПОЗИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК ДЛЯ НЕИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
COMPOSITE CORE FOR NON-INSULATED WIRES OF OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к конструкциям композитных сердечников для неизолированных проводов воздушных линий электропередачи.
Композитные сердечники для неизолированных проводов воздушных линий электропередачи должны обладать такими характеристиками, как минимальный коэффициент линейного термического расширения (КЛТР), определяющий величину провисания провода, высокая прочность на разрыв, максимальная эксплуатационная температура (200°C) и выше, а также высокий модуль упругости (от 50 ГПа).
Известен сердечник, выполненный в виде длинномерного стержня из композитного материала, содержащего в качестве армирующего волокна стеклянные, арамидные, базальтовые, керамические и/или борные волокна, при этом полимерная матрица сердечника содержит в качестве термореактивного связующего соответственно эпоксидную композицию с температурой стеклования 90-350°C или термореактивные связующие на основе соединений ароматических полиамидов, или кремнеорганических, полиимидных, полиэфирных, фенолформальдегидных смол, или дигидрофосфатных, полициануратных, бороорганических, полифениленоксидных, полисульфоновых связующих, их производных и сополимеров, в том числе наномодифицированных, имеющих предел длительной эксплуатации до 350°C [1].
В данном техническом решении формование профиля стержня и упрочняющего повива сердечника осуществляют путем спиральной намотки термостойкой нити на пучок смоченных связующим армирующих волокон, в результате такой технологии сердечник имеет рельефную поверхность, обусловленную наличием спиральной намотки, в которой имеются участки напряжения на сердечнике, уменьшающие общую прочность композитного стержня.
Известен также композитный высокопрочный провод с повышенной электропроводностью, содержащий концентрированно размещенный сердечник из электротехнической меди, наружную оболочку из сплава на основе меди и кольцевой слой между сердечником и наружной оболочкой, выполненный из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами [2].
Этот известный провод выполнен с композитным сердечником одномодульной конструкции. Такой сердечник отличается легкостью при высокой прочности на растяжение, низким температурным коэффициентом линейного расширения, дешевизной. Однако существенным недостатком такого сердечника является его уязвимость к изгибам малого радиуса (большой кривизны). Такие изгибы возникают при колебаниях проводов большой амплитуды - при пляске (в точках крепления провода к опорам) и при коротких замыканиях на линии, а также при погрешностях в соблюдении монтажных режимов провода (известны случаи поломок сердечника при монтаже проводов с одномодульным сердечником).
Заявитель ставил перед собой практическую задачу разработки композитного сердечника для неизолированных проводов воздушных линий электропередачи, характеризующегося гибкостью, легкостью и высокой разрывной прочностью конструкции, совместимой со спиральной натяжной и соединительной арматурой, также обладающего таким важным эксплуатационным свойством, как нераскручиваемость при рассечении, и при этом обеспечивающего абсолютную упругость модулей и высокую технологичность их изготовления. Вышеуказанной положительный технический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных конструктивных признаков заявляемого композитного сердечника для проводов воздушных линий электропередачи, представленной в нижеследующей формуле изобретения: «композитный сердечник для неизолированных проводов воздушных линий электропередачи, выполненный в форме протяженного цилиндра, содержащего в своем объеме, по меньшей мере, два изготовленных из композитного материала стержня/модуля, каждый из которых снабжен сетчатой или одно- или разнонаправленной намоткой с применением термостойкой нити, указанные стержни/модули расположены симметрично относительно оси сердечника с заданным зазором между ними, скручены друг с другом и покрыты термостойким связующим, причем для исключения выдавливания материала из зон повышенного сжатия, возникающего в процессе эксплуатации от токоведущих алюминиевых повивов провода или крепежной арматуры, связующее содержит наполнитель в виде резаных нитей выбранной длины или ровинга, выполненных из того же материала, из которого изготовлены стержни/модули, при этом заданный зазор между стержнями/модулями выбирается из соотношения (0,04÷0,08)d при величине шага скрутки стержней/модулей (16÷26)D и допустимом радиусе изгиба сердечника (8÷12)D, где d - диаметр стержня/модуля, D - диаметр сердечника, длина шага намотки стержня/модуля составляет (0,5÷2,0)d, средний модуль упругости отвержденного связующего равен 1-3 ГПа, а спиральная или сетчатая намотка нитей на поверхности стержней/модулей дополнительно снабжена покрытием из высокоадгезионного дисперсного материала; спиральное или сетчатое покрытие стержней/модулей дополнительно закреплено поверхностным слоем наполнителя в виде дисперсного материала; в качестве термостойкого дисперсного материала покрытия стержней/модулей выбирается алюминиевая пудра; покрытие из термостойкого дисперсного материала выполнено путем нанесения алюминиевой пудры на неотвержденный стержень, представляющий собой жгут из волокнистого материала, пропитанного органическим связующим, с последующим отвверждением; центральный стержень/модуль при сборке дополнительно промазывается связующим, при этом весь сердечник обмотан арамидной или полиамидной нитью, или стальной лентой, или лентой из того же материала, что и сердечник, или лентой из других материалов».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на на фиг. 1 - сечение композитного сердечника для неизолированных проводов воздушных линий электропередачи, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 - эскиз двух соседних стержней/модулей с намотанной термостойкой нитью; на фиг. 3 - схема взаимного перемещения стержней/модулей при изгибе сердечника.
Предлагаемый композитный сердечник многомодульной конструкции для неизолированных проводов воздушных линий электропередачи выполнен в форме протяженного цилиндра, содержащего в своем объеме изготовленные из композитного материала стержни/модули 1 с одно- или разнонаправленной намоткой 2 (спиральной или сетчатой) из термостойкой нити по их поверхности, а весь прочий объем сердечника заполнен отвержденным при полимеризации связующим 3, имеющим модуль упругости 1-3 ГПа; для исключения выдавливания материала из зон повышенного сжатия, возникающего в процессе эксплуатации от токоведущих алюминиевых повивов провода или крепежной арматуры, связующее содержит наполнитель в виде резаных нитей выбранной длины или ровинга, выполненных из того же материала, из которого изготовлены стержни/модули 1.
Минимальное число стержней/модулей 1 может быть равно двум; в представленном на фиг. 1 варианте показан сердечник, состоящий из семи стержней/модулей. Стержни/модули 1 скручены друг с другом и расположены симметрично относительно оси сердечника, причем между ними организован зазор заданного размера 5 (фиг. 2). Зазор образован благодаря одно- или разнонаправленной намотке 2, выполненной по поверхности каждого из стержней/модулей 1 с применением термостойкой нити, как показано на фиг. 2 (где позиции 1а, 1б - это фрагменты стержней/модулей 1, позиции 2а, 2б - намотка 2). Для того чтобы нейтрализовать возможное неблагоприятное влияние намотки 2 на механическую прочность композитных стержней/ модулей 1, применено покрытие из высокоадгезионного дисперсного материала, в качестве которого выбирается приемлемая альтернатива, например алюминиевая пудра. Заданный зазор между стержнями/модулями 1 выбирается из соотношения (0,04÷0,08)d при величине шага скрутки стержней/модулей (16÷26)D и допустимом радиусе изгиба сердечника (8÷12)D, где d - диаметр стержня/модуля, D - диаметр сердечника, длина шага намотки стержня/модуля составляет (0,5÷2,0)d.
Заданный зазор 6, показанный на фиг. 2, образован одно- или разнонаправленной намоткой 2 с применением термостойкой нити, и он определяется высотой указанной выше намотки 2, не позволяющей поверхностям соседних стержней/модулей 1 сомкнуться. Зазор, как и весь свободный объем в цилиндрическом теле сердечника, не занятый стержнями/модулями 1, заполнен термостойким (низкомодульным) связующим 3, что обеспечивает необходимую для композитного сердечника гибкость при его изгибе, так как допускает взаимные перемещения стержней/модулей 1.
Возникновение таких взаимных перемещений наглядно изображено на фиг. 3, где на трех эскизах показано взаимное положение соседних стержней/модулей 1 для случаев: (I) - до начала изгиба; (II) - то же, после изгиба сердечника по радиусу R, вид сбоку; (III) - то же, вид сверху.
Изобретение работает следующим образом:
Сборка стержней/модулей 1 в единый сердечник осуществляется на крутильной машине с шагом крутки (16÷26)D, причем укладка стержней/модулей 1 в единый пучок производится без крутки сечений. Одновременно с экструзией жидкотекучего (разжиженного) связующего 3, призванного заполнить свободные объемы, имеющиеся в сечении сердечника, проводится укладка ровинга или стеклянных нитей, введенных в рецептуру связующего перед экструзией. Выбранная рецептура и армировка ровингом или резаными стеклянными нитями позволяют связующему в жидкотекучем состоянии заполнять все зазоры и при прохождении через фильеру образовать протяженное цилиндрическое тело сердечника. После формования сердечника происходит полимеризация и связующее достигает расчетной твердости при общем модуле упругости 1-3 ГПа. Взаимная подвижность стержней/модулей 1 для сохранения гибкости сердечника после его сборки достигается за счет заданного зазора 5 между стержнями/модулями 1, заполняемого связующим 3. Зазор 5 позволяет создать буферный слой из компаунда между стержнями/модулями 1, который призван воспринимать основную долю взаимных перемещений стержней/модулей 1 при перегибах сердечника.
На фиг. 3 наглядно показано возникновение таких взаимных перемещений соседних стержней/модулей 1a, 1б при изгибе сердечника (для простоты показан сердечник, состоящий из двух стержней/модулей 1). До изгиба длины полувитков обоих стержней/модулей 1а, 1б одинаковы и равны L. При изгибе сердечника по заданному радиусу R кривизна стержней/модулей 1а, 1б на каждом полувитке скрутки изгибаемого участка сердечника будет существенно различной, в зависимости от того, в каком положении относительно центра изгиба находятся указанные стержни/модули. Большая кривизна стержня/модуля 1а и значительно меньшая кривизна стержня/модуля 1б неизбежно порождают разницу в их длинах (L1≠L2) и взаимное перемещение на концах этих участков (выделенная зона А на фиг. 3). Образно говоря, модуль 1а выпирает «горбом» на рассматриваемой фиг. 3 (вид II). В вертикальной плоскости, вид стержней/модулей 1а, 1б показан на фиг. 3 (III). Гарантированный зазор δ между стержнями/модулями 1а, 1б позволяет избежать расслоений внутри сердечника при изгибе, так как взаимные перемещения стержней/модулей 1а, 1б приводят к возникновению лишь незначительных сдвиговых деформаций в термостойком (низкомодульном) связующем. Важна и роль связующего как защитного покрова от атмосферных воздействий для композитных стержней/модулей, а также как средства равномерного распределения радиальной сдавливающей нагрузки на них от токопроводящих повивов провода и от крепежной арматуры.
Покрытие сердечника из термостойкого дисперсного материала выполняется путем его нанесения на неотвержденный стержень, представляющий собой жгут из волокнистого материала, пропитанного органическим связующим, с последующим отверждением, при этом в качестве дисперсного материала выбирается алюминиевая пудра. При сборке сердечника центральный стержень/модуль может быть промазан дополнительным связующим, а весь сердечник - обмотан арамидной или полиамидной нитью 4, или стальной лентой, или лентой из того же материала, что и сердечник, или лентой из других материалов.
Основное преимущество предлагаемого композитного сердечника для неизолированных проводов воздушных линий электропередачи - это его легкость, высокая гибкость, определяемая тем обстоятельством, что допустимый радиус его изгиба существенно уменьшен по сравнению с аналогичным одномодульным сердечником, соответственно предлагаемый сердечник практически не будет накладывать ограничений на кривизну провода, подвергаемого изгибу; поверхность такого сердечника обладает выраженным рельефом, который образуется при скрутке стержней/модулей, что значительно упрощает закрепление сердечника (вместе с токоведущим слоем провода или отдельно) в натяжной и соединительной арматуре; помимо высокой гибкости сердечник характеризуется технологичностью, стойкостью к радиальным нагрузкам и многократным изгибам, обладает повышенной механической прочностью, он удобен в работе монтажников, так как не расплетается при рассечении. Технологичность предполагает использование существующего на кабельных заводах их основного оборудования. Аналогично и на предприятиях, производящих композитные модули. Соблюдено важное эксплуатационное свойство любого сердечника для проводов воздушных линий электропередачи - его нераскручиваемость при рассечении. В обычных проводах это свойство возникает благодаря преформированию (приданию спиральной формы) стальных проволок перед укладкой их в сердечник в процессе производства. Стеклопластиковые модули абсолютно упругие, преформирование их при производстве на стандартном оборудовании исключено (невозможно).
Намечается серийное изготовление предлагаемых композитных сердечников и поставка их на воздушные линии электропередачи.
Источники информации
1. Описание полезной модели к патенту №86345, Н01В 5/10, опубликован 27.08.2009 г.
2. Описание изобретения к патенту №2417468, Н01В 1/00, Н01В 5/02, заявлен 27.01.2010, опубликован 27.04.2011 г.
3. Описание изобретения к патенту №2490738, Н01В 1/12, заявлен 26.11.2008, опубликован 10.01.2012 г.
4. Описание изобретения к патенту №2464659, Н01В 12/10, заявлен 28.03.2008, опубликован 20.10.2012 г.