ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ЗВЕНО, КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ ТОКОВЕДУЩЕГО ПРОВОДА В ПРОЛЕТЕ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ВАРИАНТЫ), И ПРОЛЕТ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, СНАБЖЕННЫЙ ТАКИМ ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ (ВАРИАНТЫ)
INTERMEDIATE LINK COMPENSATING CHANGES OF LENGTH OF HOT WIRE IN OVERHEAD LINE SPAN (VERSIONS), AND OVERHEAD LINE SPAN EQUIPPED WITH SUCH INTERMEDIATE LINK (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к воздушным линиям электропередачи (ВЛ) и может быть использовано при сооружении, ремонте или реконструкции анкерных и концевых пролетов ВЛ.
Уровень техники
В процессе эксплуатации ВЛ длина провода, закрепленного в анкерном или концевом пролете, изменяется вследствие ползучести материала провода, а также под воздействием интенсивных ветровых и гололедных нагрузок, вызывающих его необратимые деформации. Кроме того, длина провода меняется при его нагреве или охлаждении под влиянием изменения температуры воздуха, интенсивности солнечной радиации, скорости ветра и величины протекающего тока. Изменения длины провода сопровождаются соответствующими изменениями стрелы провеса и габарита (минимального расстояния) провода до земли, элементов древесно-кустарниковой растительности и пересекаемых объектов (ВЛ низших классов, коммуникаций, инженерных или гражданских сооружений и проч.). При этом существует риск уменьшения габарита провода до земли ниже допустимого для ВЛ данного класса напряжения.
Известны регулируемые промежуточные звенья типов ПРР иди ПТР, которые являются стандартизованными элементами линейной арматуры ВЛ, предназначенными для изменения положения токоведущего провода в пролете ВЛ [Каталог продукции 2008. «Изоляторы и арматура для ВЛ и подстанций от 0,4 до 1150 кВ. ООО «Глобал Инсулэйтор Групп», Екатеринбург].
Для поддержания габарита провода в допустимых пределах также могут использоваться промежуточные звенья, стягивающие пару натяжных зажимов, установленных на токоведущем проводе [патент RU 2230412 МПК H02G 1/02, 2004 г.].
Регулирование длины промежуточных звеньев позволяет компенсировать изменения длины токоведущего провода в процессе эксплуатации и тем самым устранять нежелательные последствия таких изменений: уменьшение габарита или увеличение тяжения токоведущего провода в пролете ВЛ [В.Н.Андриевский, А.Н.Голованов, А.С.Зеличенко. Эксплуатация воздушных линий электропередачи. - М.: Энергия, 1976, разд.2-12. Регулирование стрел провеса проводов и тросов].
Известные регулируемые промежуточные звенья содержат элемент изменяемой длины и узлы сопряжения его концов с линейной арматурой. При этом элемент изменяемой длины выполнен в виде двух или более пластин, вдоль которых выполнено по нескольку отверстий под переставляемые пальцы (звенья типа ПРР) или в виде двух подвижных частей, связанных винтовой нарезкой (звенья типа ПТP - винтовые тарлепы).
Недостаток известных регулируемых промежуточных звеньев состоит в том, что при их использовании для компенсации эксплуатационных изменений длины токоведущего провода в пролете ВЛ необходима переустановка пальцев в другие отверстия или ручная регулировка винтового соединения. Необходимость проведения таких монтажно-регулировочных работ на ВЛ делает практически невозможной компенсацию изменений длины провода, связанных с эпизодическими или периодическими (например, суточными) изменениями внешних условий (например, суточный «ход» температуры воздуха) или тока нагрузки ВЛ, вызывающего нагрев провода, и тем самым не позволяет снизить риски нарушения существующих ограничений габаритов и превышения предельно допустимых величин тяжения провода под влиянием метеорологических и/или эксплуатационных воздействий.
Задача изобретения - устранение указанного недостатка.
Раскрытие изобретения
Предметом изобретения являются три варианта промежуточного звена, обеспечивающие получение указанного ниже технического результата, и два варианта пролета ВЛ, снабженных этими промежуточными звеньями.
Промежуточное звено по первому варианту содержит элемент изменяемой длины и узлы его сопряжения с линейной арматурой воздушной линии электропередачи, при этом элемент изменяемой длины, по меньшей мере, частично изготовлен из материала с памятью формы, температуры мартенситных превращений которого находятся в рабочем диапазоне температур токоведущего провода воздушной линии электропередачи, и выполнен с возможностью удлинения и укорочения при прямом и обратном мартенситных превращениях соответственно.
Промежуточное звено по второму варианту содержит элемент изменяемой длины и узлы его сопряжения с линейной арматурой, при этом элемент изменяемой длины выполнен на основе пружины растяжения, жесткость К которой удовлетворяет неравенствам:
, ,
мин
макс
где ΔН - рабочий ход пружины, N и N - минимальное и максимальное тяжение, ΔS - компенсируемое изменение длины токоведущего провода в пролете воздушной линии электропередачи.
Промежуточное звено по третьему варианту содержит элемент изменяемой длины и узлы его сопряжения с линейной арматурой воздушной линии электропередачи, при этом элемент изменяемой длины выполнен на основе пружины растяжения, по меньшей мере, частично изготовленной из материала с памятью формы, температуры мартенситных превращений которого находятся в рабочем диапазоне температур токоведущего провода воздушной линии электропередачи, при этом жесткости пружины в аустенитном и в мартенситном состояниях ее материала удовлетворяют неравенствам:
, ,
мин
макс
а
м
где ΔН - рабочий ход пружины, N и N - минимальное и максимальное тяжение, a ΔS - компенсируемое изменение длины токоведущего провода в пролете воздушной линии электропередачи, К и К - жесткости пружины в аустенитном и в мартенситном состояниях ее материала соответственно.
Предметом изобретения также являются два варианта пролета ВЛ, содержащего опоры и закрепленный на них посредством изолирующих подвесок токоведущий провод. По первому варианту пролета, по меньшей мере, одна изолирующая подвеска выполнена натяжной и содержит предложенное промежуточное звено, а по второму варианту на токоведущем проводе в пролете установлена пара натяжных зажимов, связанных, по меньшей мере, через одно предложенное промежуточное звено.
Технический результат изобретения заключается в следующем.
Каждый из вариантов промежуточного звена автоматически изменяет свою длину в соответствии с эксплуатационными изменениями длины токоведущего провода. Укорочение промежуточного звена предотвращает недопустимое провисание удлинившегося токоведущего провода, сопровождающееся уменьшением его габарита до земли или пересекаемых объектов. Удлинение промежуточного звена предотвращает недопустимое возрастание величины тяжения укоротившегося токоведущего провода.
Автоматическое изменение своей длины промежуточное звено по первому варианту осуществляет под воздействием меняющейся температуры, по второму варианту - под воздействием меняющегося тяжения, а по третьему варианту - под воздействием меняющихся тяжения и температуры.
Это снижает риск нарушения предписанных нормативной документацией ограничений на габарит провода до земли, а также риск превышения допустимого тяжения провода и тем самым позволяет повысить эксплуатационную надежность ВЛ, в пролетах которой предлагаемое промежуточное звено содержится в изолирующей подвеске или связывает пару натяжных зажимов, установленных на токоведущем проводе.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует оба варианта пролета ВЛ, снабженных промежуточными звеньями по изобретению. Фиг.2 иллюстрирует первый, а фиг.3 - второй и третий варианты промежуточного звена (на примере их использования во втором варианте пролета, т.е. для связи между парой натяжных зажимов, установленных на токоведущем проводе). На фиг.4 показан пример совместного использования в пролете нескольких промежуточных звеньев по изобретению.
Для упрощения и наглядности на фигурах показан одиночный провод ВЛ. Провода других фаз, другие провода расщепленной фазы и провода других цепей (в случае многоцепной ВЛ) имеют аналогичный вид.
Осуществление изобретения
Анкерный пролет ВЛ, представленный на фиг.1, содержит:
1 - ограничивающие пролет анкерные, анкерно-угловые или концевые опоры ВЛ;
2 - токоведущий провод, закрепленный на опорах 1 посредством натяжных изолирующих подвесок 3 и натяжных зажимов 4;
5 - регулируемые промежуточные звенья по изобретению;
6 и 7 - пара натяжных зажимов, дополнительно установленных на проводе 2 и связанных через промежуточное звено 5;
8 - шунтирующий токопроводящий шлейф в виде локально провисающего между зажимами 6 и 7 участка провода 2;
9 - обводной шлейф опоры 1.
Анкерный пролет, представленный в качестве примера на фиг.1, содержит промежуточную опору 10, поддерживающую провод 2 в середине анкерного пролета с помощью изолирующей подвески 11, на которой провод 2 закреплен с помощью поддерживающего зажима 12.
На фиг.1 показано размещение звеньев 5 согласно обоим предлагаемым вариантам пролета: по первому варианту пролета звено 5 входит в состав подвески 3, а по второму связывает натяжные зажимы 6 и 7.
На практике в анкерном пролете без промежуточных опор достаточно использовать одно звено 5, разместив его по наиболее подходящему варианту. При наличии в протяженном анкерном пролете промежуточных опор звенья 5 могут, в зависимости от конкретных условий, размещаться либо с одной стороны промежуточной опоры 10, либо (во избежание отклонения поддерживающей гирлянды 11 от вертикального положения) с обеих ее сторон, как показано на фиг.1.
К звеньям 5 не предъявляются требования по токопроводимости, поскольку они шунтированы токопроводящими шлейфами 8 или 9.
2
1
На фиг.1 провод 2 показан в верхнем положении, при котором промежуточное звено 5 имеет сокращенную длину. Нижнее положение провода, при котором звено 5 имеет увеличенную длину, помечено на фиг.1 пунктиром. Габариты провода до земли обозначены h и h соответственно. Стрела провеса провода и ее изменение обозначены F и ΔF соответственно.
2
1
Для того чтобы изменить габарит провисающего токоведущего провода 2 до земли на требуемую величину Δh=h-h=ΔF, промежуточное звено 5 должно компенсировать изменение длины S провода 2 на величину ΔS, которая для анкерного пролета без промежуточных опор может быть вычислена с использованием упрощенной формулы, приведенной в книге В.Н.Андриевского, А.Н.Голованова, А.С.Зеличенко. Эксплуатация воздушных линий электропередачи. - М.: Энергия, 1976 (раздел 2-12 «Регулирование стрел провеса проводов и тросов»):
,
где L - длина пролета, а S и F - исходные значения (при ΔF=ΔS=0) длины токопроводящего провода и стрелы провеса соответственно.
Величина ΔS для случая протяженного анкерного пролета с внутренними промежуточными опорами также может быть определена исходя из положения и характеристик токоведущего провода в конкретном случае по соответствующей формуле, приведенной там же.
Регулируемое промежуточное звено по первому варианту (см. фиг.2) содержит элемент 13 изменяемой длины и узлы 14 сопряжения его концов с линейной арматурой или опорой ВЛ и выполняется с возможностью выдерживать растягивающие нагрузки, действующие на провод 2. Узлы 14 могут быть выполнены в виде вилок или отверстий по концам элемента 13, предназначенных для сцепления с помощью болтов или пальцев с коушами натяжных зажимов 6 и 7.
1
2
Элемент 13 выполняется, по меньшей мере, частично из материала с памятью формы так, чтобы при прямом мартенситном превращении материала, которое происходит вблизи температуры T, лежащей в нижней части диапазона рабочих температур провода 2 в конкретном пролете ВЛ, он удлинялся, а при обратном мартенситном превращении, которое происходит вблизи температуры Т, лежащей в верхней части указанного диапазона рабочих температур, он укорачивался. Свойства материалов с памятью формы, их составы и возможность получения требуемых температур прямого и обратного мартенситных превращений путем подбора состава и соотношения компонентов известны [С.В.Шишкин, Н.А.Махутов. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск, Научно-исследовательский центр «Регулярная и хаотичная динамика», 2007. - 412 с.].
1
1
2
1
2
1
2
Вблизи температуры T элемент 13 может иметь форму одного (см. фиг.2) или нескольких (см. фиг.4) стержней прямоугольного или круглого сечения с общей длиной L. При возрастании температуры до Т, превышающей T, элемент 13 сокращает свою длину до L<L. Если материалы частей элемента 13 имеют различные температуры Т, то по мере роста температуры они сокращаются по очереди.
Такое свойство элемент 13, изготовленный из материала с памятью формы (или каждая из его частей), приобретает в результате предварительного формообразования, которое может быть произведено, например, следующим образом.
1
1
2
2
1
1
1
2
Элемент 13 (или каждая из его частей), имеющий вблизи температуры T форму прямого стержня длиной L из материала с памятью формы, нагревают до температуры Т и деформируют, придавая форму полукольца диаметром D, так, что длина элемента 13 (расстояние между его концами) уменьшается до L=D<L. При последующем остывании до температуры, близкой к T, он снова принимает первоначальную форму прямого стержня длиной L=πD/2>L («забывает деформацию»).
В примере, представленном на фиг.4, промежуточное звено выполнено в виде группы из n стержней длиной πD, стягивающихся при повышенной температуре в полукольца диаметром D. В этом случае изменение длины ΔL звена определяется выражением
.
1
2
При осуществлении изобретения элементу 13, изготовленному из материала, обладающего соответствующими температурами T и Т, могут придаваться различные конструктивные формы, обеспечивающие необходимые прочностные характеристики и величину ΔL, большую или равную величине ΔS, требуемой для нормализации положения провода 2 в конкретном пролете ВЛ и определяемой с использованием выражения (3).
Пролет, в котором смонтировано промежуточное звено по первому варианту, работает следующим образом.
1
2
1
Пусть, например, монтаж звена 5 производится в диапазоне температур T±Δ (меньших Т), при которой элемент 13 имеет форму прямого стержня длиной L.
В процессе эксплуатации ВЛ под влиянием метеорологических условий (повышенная температура воздуха, нагрев солнечными лучами) и/или эксплуатационных воздействий (увеличение токовой нагрузки) происходит повышение температуры, сопровождающееся:
- пропорциональным росту температуры удлинением провода, которое вызывает уменьшение его габарита до земли;
2
2
- нагревом элемента 13 до температуры Т, при которой он «вспоминает» форму, приданную ему при формообразовании (например форму полукольца), и укорачивается до L.
Укорачиваясь, элемент 13 стягивает провод 2, компенсируя его удлинение, что приводит к нормализации габарита провода до земли.
1
При последующем снижении температуры до T±Δ токоведущий провод укорачивается, а элемент 13 удлиняется, принимая исходную форму прямого стержня. При этом элемент 13 отпускает стянутую часть провода (шлейф 8), что позволяет избежать нежелательного увеличения тяжения.
Регулируемое промежуточное звено по второму и третьему вариантам (см. фиг.3) содержит элемент 15 изменяемой длины, выполненный на основе пружины растяжения (т.е. пружины, витки которой прилегают друг к другу в отсутствие нагрузки), и узлы 16 сопряжения концов элемента 15 с линейной арматурой.
мин
макс
макс
макс
мин
мин
Для звена по второму варианту соответствие параметров пружины (жесткости К и рабочего хода ΔН) параметрам, характеризующим состояние провода в конкретном пролете ВЛ (N, N и ΔS), обеспечивается выполнением неравенств (1) и (2). Рабочему ходу ΔН пружины соответствует изменение тяжения от нуля до N. Изменение длины пружины, компенсирующее величину ΔS, вычисляемую с использованием формулы (5), обеспечивается разностью тяжений N - N. Разность ΔH-ΔS представляет собой пассивную часть рабочего хода пружины, использованную под действием тяжения N в нижнем положении провода 2 и не участвующую в компенсации ΔS.
После монтажа в пролете ВЛ пружина элемента 15 находится в напряженном состоянии, воспринимая растягивающие нагрузки от узлов 16, связывающих ее с токоведущим проводом 2. При удлинении провода 2, обусловленном изменившимися условиями эксплуатации, тяжение провода уменьшается, и пружина элемента 15 укорачивается, компенсируя тем самым увеличение длины провода 2 для сохранения безопасных значений его габарита до земли.
При укорочении провода 2 его тяжение увеличивается и пружина элемента 15 растягивается, предотвращая возникновение опасных механических перегрузок и повреждений связанного с ней провода 2. Если жесткость пружины при этом не меняется, то ее значение должно одновременно удовлетворять неравенствам (1) и (2), что (как видно из рассмотрения этих неравенств) ограничивает величину ΔS, характеризующую возможности промежуточного звена по компенсации изменений длины токоведущего провода.
2
1
Третий вариант промежуточного звена позволяет ослабить это ограничение. Согласно этому варианту пружина элемента 15 может быть изготовлена, по меньшей мере, частично из материала с памятью формы, температуры мартенситных превращений которого находятся в диапазоне рабочих температур токоведущего провода воздушной линии электропередачи. При этом состав материала с памятью формы для изготовления пружины элемента 15 подбирается так, чтобы модуль упругости материала, а следовательно, и жесткость пружины увеличивалась (например, в полтора - два раза) при переходе материала пружины в аустенитное состояние вблизи температуры Т (при этом провод 2 находится в нижнем положении) и уменьшалась до исходного значения при переходе материала пружины в мартенситное состояние вблизи температуры T (при этом провод 2 находится в верхнем положении).
а
м
Поскольку К>К, неравенства (3) и (4), характеризующие третий вариант, могут быть одновременно выполнены при увеличенном значении компенсируемой величины ΔS, что повышает эффективность автоматической компенсации. Физически такое увеличение ΔS обеспечивается за счет дополнительного возрастания стягивающего усилия пружины элемента 15 в нижнем положении провода 2 и ослабления этого усилия в верхнем положении провода 2.