ПРОВОД НЕИЗОЛИРОВАННЫЙ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к конструкциям неизолированных сталеалюминиевых проводов высокого напряжения для воздушных линий электропередачи.
Известна конструкция сталеалюминиевого провода марки АС по ГОСТ 839-80, год ввода 1981, состоящего из стального сердечника, обеспечивающего механическую прочность провода, и одного или нескольких токопроводящих повивов круглых алюминиевых проволок. Сердечник провода скручивается из стальных оцинкованных круглых проволок.
Недостатки провода марки АС:
- низкая стойкость цинкового покрытия стальных проволок сердечника к повышенной температуре (>100°C) и механическому воздействию;
- низкая коррозионная стойкость цинкового покрытия стальных проволок сердечника (в 20-30 раз ниже стойкости алюминиевого покрытия);
- пониженная надежность и долговечность провода;
- повышенное электрическое сопротивление;
- пониженная пропускная способность;
- повышенные потери электроэнергии.
- повышенный коэффициент аэродинамического сопротивления;
- повышенная парусность;
- повышенные механические нагрузки от ветра на опорах линий электропередачи (ЛЭП) и на провод;
- пониженная продольная и поперечная жесткость;
- повышенные вибрации (пляска) провода под действием ветра;
- повышенное контактное давление между стальными и алюминиевыми проволоками и повышенный износ провода;
- пониженная прочность и долговечность;
- повышенный уровень шума;
- повышенное налипание снега и льда;
- повышенная проницаемость воды;
- повышенная коррозия.
Известны также конструкции сталеалюминиевых проводов по патентам РФ №№87556, 87557, 111338 на полезные модели, отличающихся тем, что сердечник проводов выполнен из стальных круглых проволок, плакированных алюминием.
Недостатки данных проводов:
- повышенная проницаемость в сердечник провода воды и загрязнений;
- повышенная ледовая нагрузка на провод;
- пониженное сопротивление кручению провода;
- пониженная продольная и поперечная жесткость провода;
- повышенный уровень шума.
Известна конструкция сталеалюминиевого провода по патенту №68757 на полезную модель, содержащего сердечник, выполненный из одной или нескольких стальных круглых проволок и непосредственно охваченный выпрессованной алюминиевой оболочкой. В данной конструкции провода алюминиевая оболочка сердечника кроме защитных функций от коррозии выполняет также роль проводника электрического тока.
Недостатки данной конструкции провода:
- повышенная жесткость;
- пониженная надежность;
- повышенная трудоемкость;
- существенные ограничения по площади поперечного сечения оболочки, диаметру провода и, соответственно, номенклатуре;
- существенные технологические ограничения по нанесению алюминиевой оболочки на стальной сердечник методом прессования.
Известна конструкция сталеалюминиевого провода по патенту РФ №138274 на полезную модель (прототип). Данный провод содержит сердечник из скрученных несущих элементов, например из стальных круглых проволок, покрытых цинком или плакированных алюминием, последовательно охваченный алюминиевой оболочкой и токопроводящими концентрическими повивами проволок из алюминия или алюминиевого сплава. При этом алюминиевая оболочка частично повторяет наружную поверхность сердечника с обеспечением площади их взаимного контакта 20-90% от площади наружной поверхности сердечника и имеет толщину в наиболее тонких местах 0,2-2 мм. Провод по прототипу имеет следующие недостатки:
- повышенные зазоры между круглыми проволоками стального сердечника;
- повышенная неравномерность толщины алюминиевой оболочки сердечника;
- увеличенный диаметр и масса сердечника с алюминиевой оболочкой;
- повышенное контактное давление между стальными проволоками, а также стальными проволоками и алюминиевой оболочкой;
- повышенный износ проволок сердечника и алюминиевой оболочки и пониженный технический ресурс провода;
- повышенная жесткость сердечника и провода;
- пониженная прочность сердечника и алюминиевой оболочки;
- повышенная стрела провеса провода;
- пониженная термостойкость алюминиевой оболочки сердечника;
- повышенная неравномерность распределения плотности тока в алюминиевой оболочке сердечника;
- повышенное электрическое сопротивление провода;
- пониженный длительно допустимый ток нагрузки;
- пониженная технологичность;
- повышенная стоимость.
Недостатки прототипа существенно снижают эксплуатационные характеристики, область применения, экономичность и технологичность неизолированных проводов для воздушных ЛЭП.
Технической задачей полезной модели является разработка неизолированного провода для воздушных линий электропередачи с более высокими эксплуатационными характеристиками, более экономичного и более технологичного.
Технический результат достигается тем, что провод содержит пластически обжатый сердечник из стальных проволок, покрытый снаружи оболочкой из термокоррозионностойкого алюминиевого сплава марки ТАС, модифицированного цирконием, методом плакирования по технологии непрерывной экструзии CONKLAD при сверхвысоком давлении с заполнением межпроволочного пространства сердечника на 90-100%.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие стального многопроволочного сердечника, покрытого снаружи оболочкой, и концентрических токопроводящих повивов из алюминиевых проволок. В то же время предложенный провод отличается от известного использованием пластически обжатого сердечника из стальных проволок, покрытого снаружи оболочкой из термокоррозионностойкого алюминиевого сплава марки ТАС, модифицированного цирконием, методом плакирования по технологии непрерывной экструзии CONKLAD при сверхвысоком давлении с заполнением межпроволочного пространства сердечника на 90-100%.
Пластическое обжатие стального многопроволочного сердечника производится методом холодной прокатки с использованием специальных твердосплавных роликов. В результате такого обжатия сечения круглых проволок принимают взаимосопряженные фасонные профили. Линейный контакт между проволоками развивается в полосовой. Увеличивается площадь контакта и снижаются контактные давления, заполняются зазоры между проволоками и повышается структурная устойчивость сердечника. Сердечник становится более гладким, а форма - округлой. При этом уменьшается диаметр сердечника на 10-15%, увеличивается его прочность на 5-10%, продольная и поперечная жесткость, износостойкость и долговечность.
В зависимости от назначения и условий эксплуатации провода оболочка пластически обжатого сердечника может быть выполнена из алюминия или его сплавов, в том числе модифицированных редкими или редкоземельными металлами, или щелочными или щелочноземельными металлами, или полупроводниковыми материалами, или их смесями, в том числе из сверхпластичных сплавов алюминия с ультрамелкозернистой или нанокристаллической структурой. Небольшие добавки (до 0,5 масс. %) редких и редкоземельных металлов позволяют существенно увеличить прочность, пластичность, термостойкость и коррозионностойкость алюминия и его сплавов за счет измельчения зерна. Например, добавка церия в количестве 0,5 масс. % повышает прочность, пластичность и термостойкость алюминия почти в два раза. При этом уменьшается коррозия в 10 раз и существенно увеличивается электропроводность алюминия. Добавка 0,3 масс. % иттрия увеличивает на 7,5% электропроводность алюминия, а также увеличивает его прочность, пластичность и термостойкость. Добавка 0,4 масс. % скандия повышает прочность алюминия на 35%. При этом увеличивается пластичность, электропроводность и термостойкость алюминия. Добавка циркония до 0,5 масс. % позволяет существенно (в 2-2,5 раза) увеличить термостойкость и пластичность алюминия и его сплавов без снижения электропроводности. Небольшие добавки (до 5,0 масс. %) щелочных или щелочноземельных металлов из группы: литий, бериллий, магний, кальций, стронций, или полупроводниковых материалов из группы: бор, теллур, селен, германий, кремний, или их смесей позволяют увеличить пластичность, прочность и электропроводность алюминия и его сплавов. Сверхпластичные сплавы алюминия с ультрамелкозернистой или нанокристаллической структурой могут быть получены механическим или физическим способом. Механический способ основан на явлении деформационного измельчения зеренной структуры металла в процессе интенсивной пластической деформации (ИПД). Методы ИПД: равноканальное угловое прессование, деформация кручением, винтовая экструзия, всесторонняя ковка. Данные методы позволяют получать алюминиевые сплавы с размером зерен от сотен до десятков нанометров, обладающие уникальным комплексом физико-механических свойств, в том числе высокоскоростной сверхпластичности, сверхпрочности и сверхпроводимости. Физический способ получения сверхпластичных алюминиевых сплавов с ультрамелкозернистой структурой основан на литье в высокочастотном электромагнитном поле. Данный способ позволяет получать сверхпрочные проводниковые изделия из алюминиевых сплавов с повышенной электропроводностью, не теряющие своих свойств при длительной эксплуатации в условиях высоких температур. У алюминия и его сплавов, модифицированных редкими или редкоземельными металлами, практически отсутствует ползучесть под нагрузкой. Для изготовления оболочки сердечника авторами полезной модели разработан термокоррозионностойкий алюминиевый сплав марки ТАС по ТУ 1712-042-50289046-2012, год ввода 2012, Россия, модифицированный цирконием. Данный сплав имеет повышенные показатели по механической прочности, пластичности, термостойкости, коррозионностойкости и электропроводности.
Оболочку из алюминия или его сплавов можно нанести на сердечник на традиционных алюминиевых прессах, используемых для наложения на кабели гладких алюминиевых оболочек. Способ прессования заключается в предварительном разогреве алюминиевой заготовки (слитка), наложении на кабель сплошного кольцевого концентрического слоя выпрессованного алюминия и охлаждении алюминиевой оболочки водой. При этом способе предусмотрены вынужденные технологические остановки для дозаправки алюминиевых слитков. На стыке оболочек возможно появление «бамбуковых колец» (кольцевое утолщение алюминиевой оболочки).
Недостатки способа прессования алюминиевой оболочки:
- повышенные трудоемкость и энергозатраты;
- ограничения по минимальной толщине и минимальному диаметру;
- ограничения по давлению прессования;
- возможность отслоения алюминиевой оболочки от сердечника;
- пониженное качество алюминиевой оболочки.
Авторами полезной модели предложено использовать метод плакирования пластически обжатого стального многопроволочного сердечника алюминием или его сплавами по технологии непрерывной экструзии CONKLAD при сверхвысоком давлении с заполнением межпроволочного пространства сердечника на 90-100% без предварительного нагревания алюминиевой заготовки (катанки). При нанесении оболочки из алюминия или его сплавов на поверхность сердечника из стальных проволок по технологии CONKLAD происходит холодная сварка металлов за счет большой сдавливающей силы.
Главной особенностью этого метода является взаимная диффузия молекул металлов без нагрева на глубину до 5 мкм. Диффузия происходит под высоким давлением внутри камеры, куда экструдированием подается пластичный алюминий или его сплавы, нагретые до температуры 400°С. Алюминий или его сплавы нагреваются только за счет трения и собственной деформации. В процессе плакирования по технологии CONKLAD возможно получение сверхпластичного сплава алюминия с ультрамелкозернистой или нанокристаллической структурой. По сравнению с методом прессования технология CONKLAD имеет следующие преимущества:
- низкие капитальные затраты;
- низкие затраты на энергоресурсы, обслуживание, подготовительные работы;
- меньшие габариты;
- высокую производительность;
- высокое качество изготавливаемой продукции;
- неограниченную длину наносимой оболочки;
- короткое время переналадки.
Провод по полезной модели (фиг.) содержит пластически обжатый сердечник 1 из стальных проволок без покрытия, оболочку 2 из термокоррозионностойкого алюминиевого сплава марки ТАС, модифицированного цирконием, и концентрические токопроводящие повивы 3 из алюминиевых проволок. Предложенный авторами полезной модели провод изготавливается по следующей технологии. Сердечник провода скручивают на крутильной машине из одного или нескольких концентрических повивов круглых стальных проволок по спирали в чередующихся направлениях с определенным шагом скрутки. При этом одну проволоку размещают в центре сердечника. После скрутки производится пластическое обжатие сердечника методом холодной прокатки с использованием специальных твердосплавных роликов. На очищенную и обезжиренную поверхность сердечника наносится оболочка из термокоррозионностойкого алюминиевого сплава марки ТАС, модифицированного цирконием, методом плакирования по технологии непрерывной экструзии CONKLAD при сверхвысоком давлении с заполнением межпроволочного пространства сердечника на 90-100%. Операция очистки и обезжиривания сердечника производится на установке CONKLAD за один проход перед нанесением оболочки.
Поверх оболочки сердечника накладывают на крутильной машине концентрические токопроводящие повивы алюминиевых проволок по спирали в чередующихся направлениях с определенным шагом скрутки.
Преимущества нового провода:
- отсутствие зазоров между стальными проволоками сердечника, а также между проволоками сердечника и оболочкой;
- уменьшенный диаметр сердечника и провода;
- повышенная термостойкость оболочки сердечника;
- повышенная пропускная способность;
- пониженное активное электрическое сопротивление;
- повышенный длительно допустимый ток нагрузки;
- низкое контактное давление между стальными проволоками сердечника, а также проволоками сердечника и алюминиевой оболочкой;
- пониженный износ и повышенный технический ресурс сердечника и провода;
- повышенная прочность сердечника и провода;
- пониженная стрела провеса провода;
- пониженные вибрации провода под действием ветра;
- высокие технологичность, качество, надежность и экономичность;
- низкая стоимость.
Новый провод с пластически обжатым сердечником из стальных проволок, покрытым снаружи оболочкой из термокоррозионностойкого алюминиевого сплава марки ТАС, модифицированного цирконием, по технологии непрерывной экструзии CONKLAD при сверхвысоком давлении с заполнением межпроволочного пространства сердечника на 90-100%, прошел испытания по основным показателям с положительными результатами. Налаживается производство данных проводов.