НЕИЗОЛИРОВАННЫЙ ПРОВОД С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к конструкции неизолированных многопроволочных проводов, для воздушных линий электропередачи.
Известна конструкция сталеалюминевого провода марки АС [ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Утвержден и введен в действие постановлением государственного комитета СССР по стандартам от 23.06.80 №2987], состоящего из стального сердечника, обеспечивающего механическую прочность провода, и одного или нескольких концентрических повивов круглых алюминиевых проволок (активный материал), передающих электрическую энергию. Сердечник провода скручивается из стальных оцинкованных круглых проволок.
Недостатком данной конструкции являются: низкий коэффициент заполнения сечения токоведущей части провода активным материалом; низкий длительно допустимый ток при рабочей температуре провода; высокий нагрев провода.
Наиболее близким по технической сущности является конструкция провода неизолированного, состоящего из стального сердечника, выполненного из одной или нескольких оцинкованных проволок с усиленной прочностью, внутреннего проволочного повива и внешнего проволочного повива, выполненных из профилированных проволок, имеющих в поперечном сечении форму трапеции, углы которой выполнены закругленными с радиусом закругления 10-20% высоты трапеции [RU 142850 U1, МПК Н01В 5/08 (2006.01), опубл. 10.07.2014]. Благодаря оптимально выбранному диапазону радиусов закругления профилированных проводов обеспечивается высокий коэффициент заполнения проводов в поперечном сечении.
Недостатками известного провода неизолированного является следующее: длительно допустимый ток увеличен за счет повышения температуры рекристаллизации алюминия; проволоки выполнены из специального высокотехнологического термостойкого алюминиево-циркониевого сплава; для подвески провода на опорах требуется специальная линейная арматура, из-за высокой температуры проводника, которая составляет 210°C.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является расширение арсенала технических средств, а именно разработка конструкции неизолированного провода для линии воздушной электропередачи, имеющего повышенные эксплуатационные характеристики.
Техническим результатом является реализация указанного назначения, а также повышение пропускной способности линий электропередачи путем увеличения длительно допустимого тока провода без увеличения площади поперечного сечения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном неизолированном проводе для воздушных линий электропередачи, содержащим стальной сердечник, выполненный из проволок, и концентрические внутренний и внешний повивы, выполненные из токопроводящих проволок, новым является то, что каждая из указанных проволок выполнена с поперечным сечением в форме зубчатого колеса, зубья которого расположены друг относительно друга с шагом 360°/N, радиус кривизны зуба r определен соотношением r(N)=R*sin(90°/N)/(1+sin(90°/N)), где:
R - наружный радиус провода, при этом алюминиевые токопроводящие проволоки и проволоки сердечника имеют одни размеры. Кроме того, возможно выполнение токопроводящих проволок из алюминия или термостойкого алюминиево-циркониевого сплава. Высота зуба h может меняться от 0,1r до 2r.
Заявляемая конструкция неизолированного провода позволяет расширить ассортимент продукции, а также повысить длительно допустимый ток провода, без увеличения площади поперечного сечения и рабочей температуры. Увеличение длительно допустимого тока осуществляется путем увеличения отдачи количества тепла проводом в окружающую среду от боковой поверхности, за счет увеличения периметра поперечного сечения.
Увеличение пропускной способности линий электропередачи с помощью повышения длительно допустимого тока проводника известно. Для этого применяется специальный токопроводящий материал - термостойкий сплав. Известно увеличение площади боковой поверхности провода путем увеличения длины периметра поперечного сечения провода [RU 156715 U1, RU 156801 U1] при выполнении в виде правильного шестиугольника. Зубчатое колесо можно рассмотреть как правильный многоугольник с числом сторон n, имеющий внешний контур в виде замкнутой синусоиды. При такой форме проволок провод охлаждается быстрее по сравнению, с проволокой круглого сечения, и, следовательно, по проводнику можно передать большее электроэнергию, при этом температура проводника не превысит допустимой температуры рекристаллизации активного материала.
На фиг. 1 изображено поперечное сечение провода, состоящего из проволок.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение проволоки, при вполнении провода с поперечным сечением в форме зубчатого колеса с количеством зубьев N=12. На фиг. 3 изображен неизолированный скрученный провод.
На фиг. 4 представлены зависимости: изменение радиуса кривизны зуба г, от количества зубьев; изменение периметра поперечного сечения зубчатого колеса от количества зубьев.
На фиг. 1 показано: 1 - сердечник провода; 2 - токопроводящая проволока с поперечным сечением в виде зубчатого колеса; 3 - внутренний проволочный повив; 4 - внешний проволочный повив; 5 - периметр поперечного сечения провода. Токопроводящие проволоки 2 и проволоки сердечника 1 имеют одни размеры.
На фиг. 2 показано: 2 - токопроводящая проволока в поперечном сечении в виде зубчатого колеса; 6 - зуб с радиусом кривизны, r; 7 - высота зуба, h; 8 - наружный радиус проволоки, R.
На фиг. 3 показано: 1 - сердечник провода; 2 - токопроводящая проволока с поперечным сечением в форме зубчатого колеса.
На фиг. 4 показано: 9 - кривая изменения радиуса кривизны зуба r, мм, от количества зубьев; 10 - кривая изменения периметра (Р1) поперечного сечения в форме зубчатого колеса от количества зубьев; 11 - кривая периметра (Р) проволоки с поперченным сечением в форме круга.
Основные положения физической сущности конструкции провода с увеличенным длительным допустимым током следующие:
1. Наличие тока в проводе, вызывает его нагрев.
2. Охлаждение провода быстрее при большей его площади боковой поверхности.
3. Периметр геометрических фигур (треугольник, круг, шестиугольник) разный при одинаковой площади.
4. Коэффициент заполнения полного сечения многопроволочного провода активным материалом выше у проволок с поперечным сечением в форме зубчатого колеса, по сравнению с сечением круглой формой.
5. Плотность тока в проводе с радиусом 11,95 мм (9,554 мм) из активного материала алюминия (меди) при 50 Гц распределяется равномерно в поперечном сечении.
6. Провода, состоящие из проволок с поперечным сечением в форме зубчатого колеса, при передаче электроэнергии в напряжениях 6-20 кВ создают вокруг своей поверхности неравномерное электрическое поле, которое не ионизирует воздух (потери электроэнергии на корону незначительные).
Покажем возможность использования провода, состоящего из проволок с поперечным сечением в форме зубчатого колеса.
Обоснование конструкции
1. Количество выделяемого тепла при протекании тока
При протекании длительно допустимого тока провод нагревается в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Максимальное количество тепла без нарушения механической прочности провода, выделяемого в проводнике за единицу времени, определяется [Александров Г.Н. Передача электрической энергии / Г.Н. Александров. - 2-е изд. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. - 412 с. (Энергетика в политехническом университете). - С. 16]:
дл.доп
где I - ток, нагревающий провод при заданных климатических условиях до допустимой температуры по условиям механической прочности провода, А [СТО 56947007-29.240.55.143-2013 Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов воздушных линий. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2013];
Э
R - удельное активное сопротивление проводника, Ом/м;
t
ρ - удельное электрическое сопротивление проводов при температуре провода 25°C, Омм;
2
F - площадь поперечного сечения, мм.
Температура нагрева провода во многом зависит от активного сопротивления и условий окружающей среды.
2. Охлаждение провода
Охлаждение провода происходит путем излучения и конвекции. Количество тепла, отдаваемого проводом (единичной длины) в окружающую среду в единицу времени определяется [Александров Г.Н. Передача электрической энергии / Г.Н. Александров. - 2-е изд. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. - 412 с. (Энергетика в политехническом университете). - С. 16]:
Т
2
где α - коэффициент теплоотдачи, зависящий от температуры провода и его размера, Вт/(м·К);
п.б.
2
S - площадь боковой поверхности провода на 1 м длины провода, м;
Т - абсолютная температура провода, К;
0
0
Т - абсолютная температура окружающей среды (на территории России рекомендуется принимать t=25°C), К.
Площадь боковой поверхности единицы длины провода выражается формулой:
где L - длина проводника, мм;
Р - периметр площади поперечного сечения проводника, м.
Анализ соотношений (3), (4) показывает, что увеличение периметра поперечного сечения провода увеличивает площадь боковой поверхности единичной длины провода и, следовательно, количество отводимого тепла от его поверхности.
3. Периметр геометрических фигур
2
Из геометрии известно, что при одинаковой площади (например, 120 мм) у разных фигур их периметр отличается. В табл. 1 приведены значения периметров различных геометрических фигур.
Таким образом, из рассмотренных в табл. 1 геометрических фигур самый большой периметр шести лучевой звезды, на основании чего принимаем форму поперечного сечения токопроводящей проволоки 2 в виде зубчатого колеса, которое можно рассматривать как правильный многоугольник, имеющий внешний контур в виде замкнутой синусоиды.
Дополнительно с увеличенным периметром, проволока с поперечным сечением в форме зубчатого колеса позволяет увеличить плотность заполнения активным материалом в поперечном сечении провода.
4. Длительно допустимый ток провода
Длительно допустимый ток провода найдем, приравняв правые части выражений (1) и (2) с учетом выражения (3):
з
где χ - коэффициент заполнения провода активным материалом.
Соотношение (4) показывает зависимость длительно допустимого тока от периметра поперечного сечения провода Р.
дл.доп
Таким образом, при увеличении периметра поперечного сечения провода Р на 21%, длительно допустимый ток увеличивается I на 10% по соотношению:
Длительно допустимый ток увеличивается за счет использования проволоки с поперечным сечением в виде зубчатого колеса.
Зубья на поверхности проволоки расположены друг относительно друга с шагом 360°/N (где N количество зубьев), радиус кривизны зуба г проволоки зависит от наружного радиуса R провода и от количества зубьев N и определяется соотношением:
Периметр проволоки с поперечным сечением в виде зубчатого колеса определяется по выражению:
Анализ соотношений показывает (фиг. 4), что наиболее эффект увеличения длительно допустимого тока за счет увеличения периметра (Р1) наблюдается при количестве зубьев от 4 до 36 причем, при чем при увеличении количества зубьев радиус их кривизны снижается. Экспериментально установлено, что для повышения эксплуатационных характеристик высота зуба h может меняться предпочтительно в диапазоне от 0,1r до 2r.
5. Коэффициент теплоотдачи
Коэффициент теплоотдачи нагретого провода, обтекаемого воздухом, температура которого меньше температуры провода, равен:
К
2
где α - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м·К);
И
2
α - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м·К).
Коэффициент теплоотдачи излучения зависит от температуры наружной поверхности провода и находится по закону Стефана-Больцмана:
где ε - коэффициент черноты поверхности провода;
0
-8
2
4
С=5,7·10 Вт/(мК) - постоянная излучения абсолютно черного тела,
Т - абсолютная температура провода, К;
0
Т - абсолютная температура окружающей среды, К.
Коэффициент теплоотдачи конвекции, который зависит от периметра поперечного сечения провода [RU 2417905 С1] и определяется соотношением:
где a, b - постоянные коэффициенты;
λ=0,026 Вт/(м·К) - теплопроводность воздуха;
-5
2
v=1,51·10 м/с - кинетическая вязкость воздуха;
υ=0,6 м/с - скорость ветра;
Р - периметр поперечного сечения провода, м.
Значение коэффициентов а и b принимаются из следующих условий:
- если  то а=0,44; b=0,813;
- если  то а=0,59; b=0,288.
Значение отношения  принимается из следующих условий:
- если  то
- если  то
Соотношение (10) показывает, что увеличение периметра поперечного сечения уменьшает коэффициент теплоотдачи конвекции.
6. Расчет потерь мощности в проводах с учетом температуры
Как говорилось выше электрический ток (например, ток нагрузки) в проводе приводит к выделению тепла в соответствии с законом Джоуля-Ленца, согласно соотношению (1). При этом провод с учетом охлаждения окружающей среды нагревается до температуры, которая находится из выражения (4):
Как известно [Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 520 с., ил. С. 315], сопротивление провода зависит от его температуры и определяется:
T
20
н
где R и R - активные сопротивления соответственно при температурах T и 20°C;
-1
α - температурный коэффициент активного сопротивления алюминия, который примерно 0,004°C;
н
Т - установившееся температура провода при токе нагрузки, °C.
Тогда потери электроэнергии в проводе при токе нагрузки составят:
нагр
где I. - ток нагрузки.
7. Скин-эффект
Плотность постоянного тока распределяется по сечению провода равномерно.
При переменном токе наблюдается вытеснение тока с его объема проводника к поверхности, глубина которого называется толщиной скин-слоя [Богачков И.В. Электромагнитные поля и волны. Часть 1 / И.В. Богачков. - уч. пособ. для вузов - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014].
Толщина скин-слоя в проводнике определяется формулой:
где f - частота, Гц;
σ - удельная проводимость, См/м;
0
-7
µ=4π·10 - магнитная проницаемость, Гн/м;
µ - относительная магнитная проницаемость (для алюминия - 1,00026; для меди - 0,9999904).
Анализ соотношения (14) показывает, что толщина скин-слоя зависит от частоты электромагнитного поля и материала проводника, так при частоте 50 Гц, толщина скин-слоя у алюминия 11,95 мм, а у меди - 9,554 мм.
Радиус у провода по [ГОСТ 839-80] АС-120/19 составляет - 7,8 мм, провода АС-300/39 - 12 мм.
Таким образом, скин-эффект у алюминиевого провода с радиусом до 12 мм можно не учитывать.
8. Условие коронирования провода
Вокруг провода возникает разряд в виде короны при максимальном значении начальной критической напряженности электрического поля [Рожкова Л.Д. Электрооборудование станций и подстанций / Л.Д. Рожкова, В.С. Козулин. - учебник для техникумов. - М: Изд-во «Энергия», 1975. С. 281-283]:
где m - коэффициент, учитывающий неровность поверхности провода (для многопроволочных проводов m=0,82);
0
r - радиус провода, см.
Напряженность электрического поля около поверхности нерасщепленного провода определяется по выражению:
где U - линейное напряжение, кВ;
ср
D - среднегеометрическое расстояние между проводами фаз, см.
0
Провода не коронируют, если наибольшая напряженность поля у поверхности любого провода не более 0,9·Е. Таким образом, условие проверки на корону можно записать в виде:
Анализ выражений (15)…(17) показывает, что при увеличении периметра поперечного сечения провода или линейного напряжения условие коронирования провода повышается.
В табл. 2 представлено сравнение параметров для классов напряжения 6-35 кВ условия коронирования провода, состоящего из проволок в форме зубчатого колеса в поперечном сечении.
Исходя из табл. 2 по условиям короны, провод, состоящий из проволок с поперечным сечением в форме зубчатого колеса, можно использовать только в классах напряжения 6-20 кВ.
Согласно приведенным выше положениям физической сущности, конструкция провода, состоящего из проволок 2 с поперечным сечении в форме зубчатого колеса, позволяет увеличить коэффициент заполнения и увеличить длительно допустимый ток. При этом у провода площадь поперечного сечения не увеличена и количество активного материала (алюминия, меди и т.п.) в проводе осталось без изменения.
Такой провод можно использовать в народном хозяйстве для воздушных линий электропередачи до класса напряжения 20 кВ.
Далее приведены сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели.
Неизолированный провод для воздушных линий электропередачи изготавливают по шнуровой (пучковой) системе скрутки.
Проволоки сердечника с поперечным сечением в форме зубчатого колеса 1 изготавливают методом волочения катанки, из углеродистой конструкционной стали, при этом на стальную проволоку наносят цинковое покрытие определенной толщины. Токопроводящую проволоку с поперечным сечением в виде зубчатого колеса 2 изготавливают методом волочения катанки из алюминия или его термостойкого сплава. Токопроводящие проволоки 2 и проволоки сердечника 1 имеют одни размеры.
Сердечник 1 провода и токопроводящие проволоки 2 укладывают в форму круга (фиг. 1) и скручивают вместе в одну сторону на крутильной машине по спирали с определенным шагом скрутки, при этом одну проволоку размещают в центре сердечника 1. Скрутка может быть правой или левой.
Неизолированный провод может быть изготовлен из современных материалов, металлов и их сплавов на базе существующих технологий с применением волочильного оборудования и оснастки для изготовления профильной проволоки, и крутильного оборудования, содержащие узлы для скрутки профильных проволок.
Например, на фиг. 1 показан провод, состоящий из проволок с поперечным сечением в виде зубчатого колеса (фиг. 2), количество зубьев - двенадцать.
Для сравнения длительно допустимого тока параметры известных неизолированных проводов (аналог, прототип) и провода, состоящего из проволок с двенадцатью зубьями в поперечном сечении, приведены (прототип) в табл. 3.
Сравнительный анализ расчетных параметров в табл. 3 показывает:
1. Провод с увеличенной боковой поверхностью имеет большую площадь, следовательно, охлаждение данного провода происходит интенсивнее, при этом длительно допустимый ток для провода без использования термостойкого сплава увеличивается на 8,4% по сравнению с аналогом, а для провода с термостойким сплавом увеличение длительно допустимого тока составляет 18,1% по сравнению с прототипом.
2. Уменьшение температуры провода путем увеличенной его боковой поверхности позволяет уменьшить активное сопротивление и тем самым снизить потери электроэнергии при электропередаче. Потери электроэнергии в предложенном проводе меньше на 0,82% и 5% по сравнению с потерями в проводах аналога и прототипа соответственно.
3. Стоимость предложенного провода ниже, так как при увеличении интенсивности охлаждения увеличивается длительно допустимый ток, поэтому его можно использовать с меньшим сечением в сравнении с аналогом и прототипом, тем самым экономя на активном материале (алюминий, сплавы алюминия и т.п.).
Таким образом, заявляемый неизолированный провод обладает улучшенными техническими характеристиками, что позволяет больше передавать электроэнергии по ЛЭП.