СЕРДЕЧНИК ДЛЯ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
CORE FOR WIRE OVERHEAD POWER LINES

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкциям несущих сердечников неизолированных многопроволочных проводов для передачи электрической энергии в воздушных магистральных высоковольтных линиях и электрических сетях, предназначенных для длительной эксплуатации.
Известна конструкция многопроволочного провода («Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи» ГОСТ 839-80), содержащая сердечник из стальных оцинкованных проволок и токопроводящих повивов из круглых алюминиевых проволок, наложенных поверх сердечника.
Такие провода обладают достаточной электропроводностью и механической прочностью, однако в процессе эксплуатации под воздействием внешних атмосферных факторов и постоянных или переменных нагрузок (натяжение проводов, влага, перепады температуры, солнечная радиация, гололедные и ветровые нагрузки, осевое кручение проводов) происходит коррозия цинкового покрытия до 1 мкм в год, а также растрескивание и отслаивание цинкового покрытия от поверхности стальных проволок сердечника. Это приводит к сокращению срока службы провода в целом.
Кроме того, при уплотнении повивов из токопроводящих алюминиевых проволок по ребристой наружной поверхности стального сердечника происходит локальное передавливание токопроводящих проволок, приводящее к неравномерности сечения проволок по длине и, как следствие, росту электросопротивления и локальному перегреву в местах передавливания алюминиевых проволок, уменьшению механической прочности алюминиевых проволок и провода в целом.
Известен провод АССС, состоящий из композитного сердечника от компании Composite Technology Corp. (СТС) и наложенных поверх него алюминиевых повивов (заявка РСТ WO №2005/040017, В65Н, заявитель Composite Technology Corp., USA).
Несущий сердечник этого провода выполнен из двух коаксиально расположенных композитных материалов. Центральная цилиндрическая часть выполнена на основе углеродных волокон, пропитанных эпоксидным связующим. Поверх центральной части наложен кольцевой слой стеклопластика, состоящий из стеклянных волокон, пропитанных высокотемпературной эпоксидной смолой. Наружный слой на основе стеклянных волокон защищает внутреннюю часть сердечника от контакта с алюминием, предотвращая коррозию углеродных волокон и алюминия. Диаметр такого композитного сердечника составляет 5-11 мм.
Существенными недостатками сердечника компании СТС являются:
- сердечник можно изготовить только в виде жесткого одножильного стержня относительно большого диаметра, что менее предпочтительно по сравнению с многожильным сердечником при изготовлении, транспортировке, подвесе провода и его дальнейшей эксплуатации;
- вся нагрузка в процессе эксплуатации провода воспринимается практически одним несущим элементом (сердечником), что накладывает на него повышенную ответственность;
- большие радиусы изгиба из-за относительно большого минимального диаметра одиночного несущего элемента, что требует использования катушек больших нестандартных диаметров на этапах производства и транспортировки;
- необходимость применения при монтаже провода с таким сердечником нестандартной сложной арматуры, недоступной широкому потребителю;
- подверженность атмосферным воздействиям наружной поверхности композитного сердечника, защищенной только повивами алюминиевых проволок;
- неспособность сердечника участвовать в передаче электрического тока.
Известен композиционный несущий сердечник для внешних токоведущих жил проводов воздушных высоковольтных линий электропередачи (патент РФ №2386183 С1, Н01В 5/08, Н01В 13/02, опубл. 10.04.2010 г.), наиболее близкий по технической сущности к патентуемому изобретению и выбранный в качестве прототипа.
Сердечник (патент РФ 2386183) в качестве одного из исполнений имеет многожильную конструкцию, скрученную из длинномерных стержней из высокопрочного непрерывно армированного композиционного материала. По одному из вариантов сердечник содержит наружную металлическую оболочку, свернутую в цилиндр из алюминиевой ленты в формообразующем устройстве.
К недостаткам известного сердечника можно отнести следующее.
При нанесении металлической ленты одновременно с формованием композитных жил возможна деформация ленты, неполное смыкание ленты и выдавливание связующего и армирующих волокон через щель не полностью сомкнувшейся металлической ленты, что нарушает сплошность металлической оболочки.
Металлическая оболочка из алюминиевой ленты подвержена раскрытию под действием внешних факторов (ветровые нагрузки, тепловой нагрев, пляска проводов).
Эти два фактора могут привести к разрушению провода в целом.
Также к недостаткам можно отнести то, что металлическая лента, свернутая в цилиндр, касается несущих композитных элементов сердечника по протяженной спиральной линии, а не по их наружной поверхности. Это приводит к локальным нагрузкам на элементы сердечника по линии касания при скрутке и эксплуатации провода и может привести к деформации и разрушению элементов сердечника.
Из-за локализации нагрузки по линии касания металлической оболочки и несущих композитных элементов сердечника уплотнение повивов токопроводящих проволок при такой конструкции сердечника невозможно из-за угрозы разрушения несущих композитных элементов сердечника, обладающих невысокой способностью выдерживать нагрузку в радиальном направлении.
Кроме того, монтаж провода с таким сердечником должен осуществляться специальными зажимами, позволяющими избежать механического разрушения композитных элементов.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности сердечника за счет повышения коррозионной стойкости, способности участвовать в передаче электрического тока, возможности уплотнения повивов токопроводящих проволок при изготовлении компактного провода без ухудшения его механических и электрических свойств, упрощение монтажа.
Технический результат достигается тем, что в сердечнике для проводов воздушных линий электропередачи, содержащем скрученные в трос несущие элементы, охваченные металлической оболочкой, наружная оболочка выполнена сплошной из алюминия или из алюминий-циркониевого сплава с временным сопротивлением разрыву 50-150 МПа, ее внутренняя поверхность частично повторяет наружную поверхность троса с обеспечением площади их взаимного контакта 20-99% от площади наружной поверхности троса и имеет толщину в наиболее тонких местах 0,2-2 мм.
Несущие элементы заявляемого сердечника могут быть выполнены из композитного материала, имеющего временное сопротивление разрыву не менее 1100 МПа, или из стальных оцинкованных или плакированных алюминием проволок.
Заявляемый сердечник может быть выполнен с несущими элементами диаметром 1,0-4,5 мм.
Кроме того, несущие элементы сердечника могут быть выполнены на основе стеклянных, углеродных, базальтовых, борных, арамидных, полиимидных или керамических волокон с возможностью их скрутки в тросе с кратностью шага 10-25. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен сердечник в поперечном разрезе.
Сердечник содержит трос, выполненный из нескольких скрученных длинномерных несущих элементов 1. Поверх троса наложена сплошная оболочка 2 из алюминия или алюминий-циркониевого сплава, внутренняя поверхность которой частично повторяет наружную поверхность троса и имеет площадь взаимного контакта 20-99% от ее величины. При этом толщина оболочки в наиболее тонких местах составляет 0,2-2 мм.
Изобретение предусматривает возможность использования двух типов несущих элементов 1.
По первому типу несущие элементы 1 выполнены из композитного материала, включающего армирующие волокна и полимерную матрицу. По второму типу несущие элементы 1 выполнены из стальной оцинкованной или плакированной алюминием проволоки, традиционно применяемой в неизолированных проводах.
Изготовление центрального троса сердечника осуществляют методом скрутки на традиционных крутильных машинах с откруткой.
Нанесение оболочки на трос проводят на традиционных прессах для наложения на кабели гладких алюминиевых оболочек или на установках непрерывного прессования конформ-методом.
Нижняя граница временного сопротивления разрыву в 50 МПа алюминиевой оболочки 2 обусловлена тем, что ниже этого значения алюминий или алюминий-циркониевый сплав практически не отжигаются или для этого требуется поводить процесс при относительно высоких температурах - 450-550°С, что может привести к термическому разрушению композитных несущих элементов сердечника.
Увеличение временного сопротивления материала наружной оболочки 2 выше 150 МПа приводит к росту усилий напрессовки оболочки, которые могут привести к механическому разрушению элементов сердечника в случае их выполнения из композитных материалов.
С точки зрения технологической целесообразности наиболее предпочтительны следующие диапазоны временного сопротивления разрыву оболочки из алюминия или алюминий-циркониевого сплава:
- 50-110 МПа - для центрального троса из композитных несущих элементов;
- 90-150 МПа - для центрального троса из стальных несущих элементов.
Нижняя граница в 20% площади взаимного контакта внутренней поверхности алюминиевой оболочки 2 и наружной поверхности троса обусловлена тем, что при значениях меньше 20% происходит локализация нагрузки от внешних воздействий, передаваемых через алюминиевую оболочку 2, лишь по относительно узкой спиралевидной полоске контакта внутренней поверхности алюминиевой оболочки 2 и наружной поверхности несущих элементов 1, что может привести к разрушению последних, выполненных их композитного материала, при монтаже провода и его эксплуатации. Также возможно проскальзывание центрального троса сердечника относительно его наружной оболочки 2 при натяжении провода при его подвеске и эксплуатации.
Верхняя граница в 99% площади взаимного контакта внутренней поверхности алюминиевой оболочки 2 и наружной поверхности троса обусловлена технологическими возможностями оборудования по нанесению сплошных оболочек 2 из алюминия или алюминий-циркониевого сплава, а также способностью композитных несущих элементов выдерживать технологические нагрузки, возникающие в радиальном направлении, при наложении алюминиевой оболочки 2.
Толщина оболочки 2 из алюминия или алюминий-циркониевого сплава в наиболее тонких местах в 0,2-2 мм обусловлена тем, что при значениях меньше 0,2 мм возможно продавливание и нарушение целостности оболочки 2 при изготовлении провода, особенно при применении уплотнения токопроводящих повивов, а также при его монтаже. Также увеличивается вероятность появления разрывов и несплошности на стадии нанесения наружной оболочки 2 на трос при изготовлении сердечника, а также при изгибах сердечника или провода с ним, например, при намотке на катушки и барабаны и смотке с них.
При толщине алюминиевой оболочки 2 в наиболее тонких местах больше 2 мм увеличивается вероятность ее выпучивания в сторону внутреннего радиуса при изгибах сердечника, технологических операциях намотки сердечника или провода с ним на катушки и барабаны, особенно с малым диаметром шейки. Также падает прочность на разрыв сердечника в целом, и увеличивается его наружный диаметр, что приводит к увеличению диаметра провода и, соответственно, действующих на него ветровых нагрузок.
Сердечник для проводов воздушных линий электропередачи работает следующим образом.
При изготовлении многопроволочного провода с применением предлагаемого сердечника внешние усилия на операции скрутки воспринимаются оболочкой 2, внутренняя поверхность которой частично повторяет наружную поверхность троса с площадью их взаимного контакта 20-99% и толщиной в наиболее узких местах 0,2-2 мм, и через нее демпфируются и передаются на наружную поверхность троса, скрученного из относительно непрочных в радиальном направлении композитных несущих элементов 1, предотвращая их от повреждений. При применении в качестве несущих элементов 1 стальных проволок, оболочка 2 сердечника рассеивает нагрузку, действующую на операции уплотнения на круглые уплотняемые проволоки токопроводящих повивов со стороны ребристой поверхности троса из относительно прочных стальных несущих элементов 1, не допуская локальной трансформации формы проволок токопроводящих повивов.
При монтаже провода с использованием зажимов прессуемого или спирального типов внешние усилия от них передаются через токопроводящие повивы на алюминиевую оболочку 2, которая демпфирует и равномерно распределяет по наружной поверхности троса из несущих элементов 1 действующие на них усилия и предотвращая их разрушение.
При использовании предлагаемого сердечника в проводах воздушных линий электропередачи его несущие элементы 1, выполненные из композитного материала или из стальных оцинкованных или плакированных алюминием проволок, охватывающая их алюминиевая оболочка 2 с внутренней поверхностью, частично повторяющей наружную поверхность троса с площадью их взаимного контакта 20-99% и толщиной в наиболее узких местах 0,2-2 мм, воспринимают действующую на них механическую нагрузку различного характера и обеспечивают участие в прохождение электрического тока.
Таким образом, вся совокупность технических решений и соответствующие подобранные материалы, использованные в конструкции предлагаемого сердечника, дает возможность улучшить его технические характеристики за счет повышения коррозионной стойкости, возможности уплотнения токопроводящих повивов, наложенных поверх сердечника без разрушения его несущих элементов, повысить удобство монтажа и ремонтных работ, что в целом позволит увеличить срок службы и эксплуатационную надежность проводов с заявляемым сердечником.
Изложенная сущность изобретения свидетельствует, что в его основе лежит комплекс новых и оригинальных технических решений, которые обуславливают следующие преимущества:
- обеспечивается полная защита троса из несущих элементов 1 от воздействия атмосферных факторов и, как следствие, повышенная коррозионная стойкость провода с таким сердечником;
- реализована возможность изготовления компактных проводов с уплотнением по повивам без разрушения несущих композиционных элементов сердечника и без передавливания токопроводящих проволок на ребристой наружной поверхности центрального троса из стальных несущих элементов;
- обеспечивается пропускание электрического тока по оболочке 2 из алюминия или алюминий-циркониевого сплава, что позволяет уменьшить сечение наложенных поверх сердечника токопроводящих повивов провода без уменьшения его пропускной способности;
- изобретение позволяет применять при монтаже провода в качестве натяжных и поддерживающих зажимов широко распространенные зажимы прессуемого и спирального типов.