ВОЗДУШНАЯ ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
AIR POWER TRANSMISSION LINE

Известный уровень техники
Специалистам известны различные проводники для воздушной передачи (электрической) энергии, включая содержащие проволоки (например, алюминиевые проволоки, медные проволоки, проволоки из алюминиевых сплавов и проволоки из медных сплавов), скрученные вокруг сердечника, состоящего из, например, стальных проволок или проволок из композита с алюминиевой матрицей (например, волокна альфа-оксида алюминия в алюминии или алюминиевом сплаве (например, до 2 мас.% меди)).
Типично, одна и та же конструкция проводника воздушной линии электропередачи используется на отдельном анкерном участке между концевыми опорами, хотя могут встречаться комбинации конструкций при ремонте анкерного участка.
Вследствие относительно высокой или более высокой стоимости многих проводников воздушных линий электропередачи, являющихся альтернативными традиционным проводникам воздушных линий электропередачи со стальным сердечником, желательно иметь возможность использования проводников воздушных линий электропередачи с более высокой стоимостью на выбранных отрезках анкерного участка между концевыми опорами. В другом аспекте желательно иметь возможность обеспечить гибкость конструкции для использования по меньшей мере двух разных проводников воздушных линий электропередачи на анкерном участке между концевыми опорами.
В другом аспекте многие воздушные линии электропередач имеют специально спроектированные анкерные участки, такие как переходы с большими пролетами, сегменты, специально спроектированные для пересечения преград, таких как реки. С увеличением электрической нагрузки на таких линиях передачи эти переходы с большими пролетами могут стать "тепловыми узкими местами". Это означает, что переходы с большими пролетами могут ограничивать величину тока, который может проходить по линии передачи, поскольку с увеличением электрического тока проводники переходов с большими пролетами нагреваются, удлиняются вследствие термического расширения и провисают до дозволенного максимума, создавая минимальный зазор под пролетами. Часто желательно увеличить допустимую нагрузку по току таких переходов с большими пролетами. Также может быть желательно уменьшить провисание пролета (также называемого "предельный пролет") для увеличения зазора, при сохранении в то же время существующей допустимой нагрузки по току. Также может быть желательно уменьшить конструкционные нагрузки, действующие на конструкции или проводник при опасных погодных явлениях.
Сущность
В одном аспекте настоящее изобретение предусматривает способ создания установленного анкерного участка (dead-end-to-dead-end) воздушной линии электропередач, где установленный анкерный участок воздушной линии электропередачи содержит:
первую и вторую концевые опоры;
по меньшей мере одну промежуточную опору (также называемую "опора линии электропередач" (tangent tower)) между первой и второй концевыми опорами;
натяжной участок проводника воздушной линии электропередачи, имеющий длину по меньшей мере 100 метров и имеющий первый конец, присоединенный к первой концевой опоре, и второй конец, присоединенный ко второй концевой опоре, где способ включает стадии, на которых:
обеспечивают первую и вторую концевые опоры;
обеспечивают по меньшей мере одну (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 50, 75, или даже по меньшей мере 100) промежуточную опору (опор) между первой и второй концевыми опорами;и
-6
-6
-6
-6
-6
3
3
3
3
3
3
-6
-6
-6
-6
-6
3
3
3
3
3
3
выбирают натяжной участок проводника воздушной линии электропередачи, имеющий первый и второй концы и длину, равную по меньшей мере 100 метров (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1500, 1800, 2100, 2400, 2700, 3000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, или даже по меньшей мере примерно 30000 метров), причем натяжной участок проводника воздушной линии электропередачи включает по меньшей мере первую и вторую последовательные субсекции натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи, где первая субсекция натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи имеет первый коэффициент термического расширения (например, в интервале значений от нуля до 25×10/°C в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 8×10/°C до 20×10/°C, или даже от 14×10/°C до 20×10/°C), первую плотность (например, в интервале значений от 1,4 г/см до 20 г/см, в некоторых вариантах исполнения, в интервале значений от 2,7 г/см до 3,6 г/см, или даже в интервале значений от 2,2 г/см до 4,5 г/см), первую зависимость напряжение-деформация и первую площадь поперечного сечения, где вторая субсекция натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи имеет второй коэффициент термического расширения (например, в интервале значений от нуля до 25×10/°C в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 8×10/°C до 20×10/°C, или даже от 14×10/°C до 20×10/°C), вторую плотность (например, в интервале значений от 1,4 г/см до 20 г/см, в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 2,7 г/смдо 3,6 г/см, или даже в интервале значений от 2,2 г/см до 4,5 г/см), вторую зависимость напряжение-деформация и вторую площадь поперечного сечения, где преднамеренно (т.е. путем целенаправленного выбора на основе по меньшей мере одного из следующих свойств для обеспечения определенных желательных результатов) по меньшей мере одна пара значений из (а) первого и второго коэффициентов термического расширения, (b) первой и второй плотностей, (с) первой и второй зависимостей напряжение-деформация, или (d) площадей поперечного сечения, при температуре в интервале значений от 20°C до 75°C (в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 25°C до 75°C, от 20°C до 100°C, от 25°C до 100°C, от 20°C до 125°C, от 25°C до 125°C, от 20°C до 150°C, от 25°C до 150°C, от 20°C до 175°C, от 25°C до 175°C, от 20°C до 200°C, от 25°C до 200°C, от 20°C до 225°C, от 25°C до 225°C, от 20°C до 240°C, от 25°C до 240°C, от 0°C до 75°C, от 0°C до 100°C, от 0°C до 200°C, от 0°C до 300°C, от -40°C до 100°C, от -40°C до 200°C, от или даже -40°C до 300°C), различаются между собой таким образом, что по меньшей мере в интервале температур от 20°C до 75°C (в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 25°C до 100°C, от 25°C до 125°C, от 25°C до 150°C, от 25°C до 175°C, от 25°C до 200°C, от 25°C до 210°C, от 25°C до 220°C, от 25°C до 230°C, от 25°C до 240°C, от 25°C до 250°C, от 25°C до 275°C, от 25°C до 300°C), с увеличением электрического тока в натяжном участке проводника воздушной линии электропередачи, натяжение проводника второй субсекции воздушной линии электропередачи является более высоким (в некоторых вариантах исполнения на по меньшей мере 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10% или даже на по меньшей мере 15%) по сравнению с натяжением второй субсекции натяжного участка воздушной линии электропередачи в таких же условиях, но когда весь проводник анкерного участка состоит только из проводника второй субсекции натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи; и
устанавливают выбранный натяжной участок проводника воздушной линии электропередачи, где первый и второй концы натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи присоединены к первой и второй концевым опорам, соответственно, и по меньшей мере часть последовательных субсекций натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи поддерживается промежуточной опорой.
В некоторых вариантах исполнения первая, вторая или любая дополнительная последовательные субсекции натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи содержат композитный (например, композиты из алюминия (включая алюминиевые сплавы) и полимерной матрицы) сердечник. В некоторых вариантах исполнения первая, вторая или любая дополнительная последовательные субсекции натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи содержит инварный (т.е. из железного сплава, содержащего железо, никель и, необязательно, другие элементы, такие как хром, титан и углерод, где железный сплав имеет коэффициент термического расширения меньший, чем линейная комбинация его составляющих) сердечник. В некоторых вариантах исполнения имеется по меньшей мере одна (в некоторых вариантах исполнения - по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 50, 75 или даже по меньшей мере 100) промежуточных опор, расположенных между первой и второй концевыми опорами.
В другом аспекте настоящее изобретение предусматривает анкерный участок воздушной линии электропередачи, содержащий:
первую и вторую концевые опоры;
по меньшей мере одну (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 50, 75 или даже по меньшей мере 100) промежуточную опору (опор) между первой и второй концевыми опорами;
-6
-6
-6
-6
-6
3
3
3
3
3
3
-6
-6
-6
-6
-6
3
3
3
3
3
3
натяжной участок проводника воздушной линии электропередачи, имеющий первый конец, присоединенный к первой концевой опоре, и второй конец, присоединенный ко второй концевой опоре, натяжной участок проводника воздушной линии электропередачи включает по меньшей мере первую и вторую последовательные субсекции натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи, где первая субсекция натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи имеет по меньшей мере один из композитного (например, композиты алюминия (включая алюминиевые сплавы) и полимерной матрицы) сердечника или инварного сердечника, первый коэффициент термического расширения (например, в интервале значений от нуля до 25×10/°C в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 8×10/°C до 20×10/°C или даже от 14×10/°C до 20×10/°C), первую плотность (например, в интервале значений от 1,4 г/см до 20 г/см, в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 2,7 г/см до 3,6 г/см или даже в интервале значений от 2,2 г/см до 4,5 г/см), первую зависимость напряжение-деформация и первую площадь поперечного сечения, где вторая субсекция натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи имеет второй коэффициент термического расширения (например, в интервале значений от нуля до 25×10/°C; в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 8×10/°C до 20×10/°C или даже от 14×10/°C до 20×10/°C), вторую плотность (например, в интервале значений от 1,4 г/см до 20 г/см, в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 2,7 г/см до 3,6 г/см или даже в интервале значений от 2,2 г/см до 4,5 г/см), вторую зависимость напряжение-деформация и вторую площадь поперечного сечения, где по меньшей мере одна пара значений из (а) первого и второго коэффициентов термического расширения, (b) первой и второй плотностей, (с) первой и второй зависимостей напряжение-деформация или (d) площадей поперечного сечения, при температуре в интервале значений от 20°C до 75°C (в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 25°C до 75°C, от 20°C до 100°C, от 25°C до 100°C, от 20°C до 125°C, от 25°C до 125°C, от 20°C до 150°C, от 25°C до 150°C, от 20°C до 175°C, от 25°C до 175°C, от 20°C до 200°C, от 25°C до 200°C, от 20°C до 225°C, от 25°C до 225°C, от 20°C до 240°C, от 25°C до 240°C, от 0°C до 75°C, от 0°C до 100°C, от 0°C до 200°C, от 0°C до 300°C, от -40°C до 100°C, от -40°C до 200°C или даже -40°C до 300°C), различаются между собой таким образом, что, по меньшей мере в интервале температур от 20°C до 75°C (в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 25°C до 100°C, от 25°C до 100°C, от 25°C до 125°C, от 25°C до 150°C, от 25°C до 175°C, от 25°C до 200°C, от 25°C до 210°C, от 25°C до 220°C, от 25°C до 230°C, от 25°C до 240°C, от 25°C до 250°C, от 25°C до 275°C, от 25°C до 300°C), с увеличением электрического тока в натяжном участке проводника воздушной линии электропередачи, натяжение проводника второй субсекции воздушной линии электропередачи является более высоким (в некоторых вариантах исполнения - на по меньшей мере 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10% или даже на по меньшей мере 15%) по сравнению с натяжением второй субсекции натяжного участка воздушной линии электропередачи в таких же условиях, но когда весь проводник анкерного участка состоит только из проводника второй субсекции натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи.
В некоторых вариантах исполнения натяжной участок проводника воздушной линии электропередачи имеет длину, равную по меньшей мере 100 метрам (в некоторых вариантах исполнения - по меньшей мере 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1500, 1800, 2100, 2400, 2700, 3000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000 или даже по меньшей мере примерно 30000 метров). В некоторых вариантах исполнения имеется по меньшей мере одна (в некоторых вариантах исполнения - по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 50, 75 или даже по меньшей мере 100) промежуточных опор, расположенных между первой и второй концевыми опорами.
Проводники воздушных линий электропередачи, состоящие из композитных сердечников с алюминиевой матрицей, например, типично являются желательными для использования в линиях электропередачи, потому что они обеспечивают большую допустимую токовую нагрузку, чем проводники воздушных линий электропередачи, состоящие из, например, проводников со стальным сердечником, а также уменьшенное провисание при такой же площади поперечного сечения, как у проводников со стальным сердечником. В результате проводник воздушных линий электропередачи, состоящий из композитных сердечников с алюминиевой матрицей, может быть использован для увеличения зазора под линией передачи и/или для работы при более высокой температуре, и, таким образом, пропускания большего по величине тока. Однако поскольку проводники воздушных линий электропередачи, состоящие из композитных сердечников с алюминиевой матрицей, обычно являются более дорогими, чем проводники воздушных линий электропередачи, состоящие из стальных сердечников, может быть желательно использовать проводники воздушных линий электропередачи, состоящие из композитных сердечников с алюминиевой матрицей, только на отрезках анкерного участка, требующих меньшего провисания, для поддержания желательного или требуемого зазора.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает пример перехода с большими пролетами для воздушной линии электропередачи в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 и 3 представляют собой блок-схемы, иллюстрирующие примеры процессов выбора пригодной конфигурации проводника для воздушной линии электропередачи.
Фиг.4 изображает пример воздушной линии электропередачи в соответствии с настоящим изобретением с указанием переменных, описанных в Уравнении 1.
Детальное описание
Фиг.1 представляет собой пример перехода с большими пролетами для воздушной линии электропередачи в соответствии с настоящим изобретением, изображающий воздушную линию электропередач 10, пересекающую реку 30, с разными проводниками 20, 22 и 24. Воздушная линия электропередач состоит из двух концевых опор, 12 и 18, двух промежуточных опор 14 и 16, двух гирлянд изоляторов 26 и 28, соединяющих проводник с промежуточными опорами, и трех пролетов проводников. Пролеты проводника 20 и 24 являются проводником одного типа, и пролет проводника 22 является проводником типа, отличного от проводников 20 и 24. Пролет проводника 22 называется пролетом перехода или предельным пролетом. Пролеты проводника 20 и 24 называются непредельными пролетами.
Расстояние между двумя концевыми опорами называется анкерным участком. Расстояние между двумя соседними башенными опорами, будь то промежуточные или концевые опоры, называется пролетом. Субсекции натяжного участка представляют собой определенные отрезки анкерного участка линии передачи, которые включают проводник только одного типа. Эти субсекции натяжного участка могут охватывать больше или меньше одного пролета между двумя соседними башенными опорами, и две разные субсекции натяжного участка могут стыковаться в пролете или на башенной опоре. Конфигурация проводника определяет множество натяжных субсекций анкерного участка линии передачи (например, какая часть анкерного участка линии передачи состоит из проводника каждого типа). В качестве примера: две натяжные субсекции, составляющие часть воздушной линии электропередачи, могут стыковаться в пролете или в узле крепления башенной опоры.
Ряд приспособлений известен специалистам и используется для облегчения соединения секций проводника и крепления проводника на башенных опорах. Например, устройства концевой заделки (также называемые "анкерными креплениями") и соединительные муфты (также называемые "устройствами для сращивания проводников в пролетах" или полнонатяжные сращивающие устройства/соединительные муфты) являются коммерчески доступными, например, от фирмы Alcoa Conductor Accessories (АСА), Spartanburg, SC и Preformed Line Products (PLP), Cleveland, ОН. Хотя конкретная конструкция проводников будет зависеть от желательных характеристик всего анкерного участка, типично, приспособления для анкерного крепления присоединяют проводник к башенным опорам.
Концевые опоры (опорные конструкции) обычно не обеспечивают возможности продольного перемещения проводника. Между анкерными опорами висячие конструкции поддерживают проводник вертикально. Проводник крепится к промежуточной опоре через гирлянду изоляторов (типично, подвесные гирлянды изолированных керамических дисков). Один конец гирлянды изоляторов крепится к промежуточной опоре и другой конец гирлянды изоляторов крепится к проводнику. Это последнее крепление называется узлом крепления проводника. При изменении натяжения проводника гирлянда изоляторов, поворачиваясь на узле крепления промежуточной опоры, будет натягивать проводник и продольно перемещать узел крепления проводника для уравновешивания возникающих сил. Это движение называется отклонением изоляторов. Изменения натяжения проводника между пролетами на промежуточной опоре нормально уравновешиваются отклонением изоляторов. Изоляторы отклоняются от пролета с меньшим натяжением в сторону пролета с более высоким натяжением для уравнивания натяжения между пролетами. Это приводит к уменьшению натяжения в пролете с более высоким натяжением, увеличивая провисание в этом пролете.
В обычных конструкциях, когда один и тот же проводник устанавливается в пролетах равной длины по обе стороны промежуточной опоры, изменение натяжения будет одинаковым для обоих проводников и узел крепления проводника не будет двигаться. Если один пролет длиннее другого, то натяжение будет уменьшаться быстрее в коротком пролете. Узел крепления проводника будет тогда смещаться в сторону длинного пролета.
Типично один тип проводника используется для всего анкерного участка, от одного анкерного крепления до другого. Если анкерный участок представляет собой переход с большими пролетами, то пролет перехода типично является предельным пролетом. Это означает, что при нагреве проводника пролет перехода будет первым достигать максимально допустимого провисания. Иногда желательно использовать разные размеры, конструкции и/или материалы проводников для таких переходов с большими пролетами. Например, может быть желательно заменить существующие переходы с большими пролетами на проводник меньших размеров, изготовленный из материалов с улучшенными характеристиками, таких как проводник из армированного композита с алюминиевой матрицей ("ACCR"), детальнее описанный ниже. Хотя заменяющий проводник может быть меньше существующего проводника, он может быть способен проводить большую мощность вследствие работы при более высокой температуре, чем существующий проводник. Такие улучшенные эксплуатационные характеристики могут быть достигнуты путем замены всего анкерного участка между анкерными креплениями на такой один тип проводника.
Неожиданно было обнаружено, что благодаря выбору для непредельных пролетов проводников типов, отличных от используемых для предельного пролета, такого как на Фиг.1, могут быть достигнуты еще лучшие эксплуатационные характеристики, чем при исполдьзовании одного типа проводника. В случае примера воздушной линии электропередач в соответствии с настоящим изобретением, изображенной на Фиг.1, более низкотемпературный, имеющий большие размеры и более тяжелый проводник, изготовленный из недорогих материалов, может быть использован для непредельных пролетов, в то время как имеющий меньшие размеры облегченный проводник, изготовленный из имеющих высокие характеристики и относительно более дорогих материалов, может быть использован для предельного пролета. Такой тип конфигурации проводника будет желательным при модернизации, когда общая механическая нагрузка комбинации нового и существующих проводников не превышает расчетной нагрузки конструкций и поддерживаются требуемые или желательные зазоры во всех пролетах.
Использование разных типов проводников в воздушной линии электропередачи может быть желательной, например, из-за стоимости (т.е. могут быть также использованы менее дорогие проводники взамен использования материалов, обладающих высокими характеристиками на всем анкерном участке) и эксплуатационных характеристик (т.е. могут быть выбраны комбинации проводников для достижения более высоких характеристик, чем те, которые могут быть достигнуты при использовании одного типа проводника). Желательные характеристики могут иметь вид, например, увеличенного зазора по сравнению с обычной конструкцией с одним типом проводника, повышенной допустимой нагрузки по току по сравнению с обычной конструкцией с одним типом проводника или уменьшенных механических нагрузок на конструкции или проводник по сравнению с обычной конструкцией с одним типом проводника. Также может быть достигнута комбинация таких желательных эксплуатационных свойств.
Может быть желательно выбрать разные проводники для конкретной линии передачи или ее части (например, переход через реку, переход через шоссе или переход через какой-либо другой топографический объект). Фиг.2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример процесса 100 выбора проводников и натяжения при установке, которые будут обеспечивать минимальное провисание при использовании в выбранной воздушной линии электропередач. На этапе 102 проводник выбирают из базы данных проводников для определения проводника, удовлетворяющего требованиям к допустимой токовой нагрузке (этап 104). Записывают максимальную рабочую температуру для выбранного проводника при требуемой допустимой токовой нагрузке. Если проводник не обеспечивает допустимой токовой нагрузки, необходимой для воздушной линии электропередачи, то из базы данных выбирают другой проводник. Если проводник соответствует требованиям к допустимой токовой нагрузке, то проводник сохраняют в списке отобранных проводников и записывают минимальную рабочую температуру допустимой токовой нагрузки для проводника (этап 106). На этапе 107 анализируют список проводников и, если требуются еще проводники, выполняют дополнительные повторения этапов 102-106. Если дополнительные проводники для оценки не требуются, то на этапе 108 выбирают по меньшей мере пару проводников из списка отобранных проводников и выбирают низкое натяжение при установке (этап 110), например, 8% прочности на разрыв менее прочного из проводников.
Может быть создана модель анкерного участка для данного натяжения при установке, и рассчитывают длину проводников в ненапряженном состоянии для каждого пролета. Для простоты можно принять, что разные типы проводников устанавливают с одинаковым натяжением и что связанные с ними подвесные гирлянды изоляторов первоначально являются вертикальными. Может быть желательной установка зажимов проводников со смещением (т.е. невертикальные гирлянды изоляторов), которая может быть включена в модель. Затем моделируются механические характеристики проводников (включая натяжение) в разных условиях, как требуется в принятой инженерно-конструкторской практике (например, предельный холод, гололедная и ветровая нагрузка) (этап 112). Механические нагрузки для этой модели оцениваются на этапе 114. Если оказывается, что механические нагрузки являются неприемлемыми при первой итерации определения натяжения при установке, то этап 108 повторяют и выбирают другой набор проводников. Если будет определено, что механические нагрузки являются приемлемыми, то натяжение при установке увеличивают с небольшим шагом (например, примерно 10Н) (этап 116) и моделируют механические характеристики проводников (этап 112), проводя повторную проверку на нежелательную механическую нагрузку. Если на этапе 114 механическая нагрузка является неприемлемой и это не является первой итерацией определения натяжения при установке (этап 118), то возвращаются (этап 120) к предыдущему значению - натяжение при установке с этапа 116. Результаты моделирования, полученные при использовании максимально допустимого натяжения, могут быть использованы для оценки провисания в каждом пролете и определения того, были ли выполнены расчетные требования по провисанию (этап 122). Если провисание является приемлемым, то данная комбинация проводников и натяжения может быть сохранена в качестве возможного варианта (этап 124). Если провисание является неприемлемым, то данная комбинация проводников может быть отброшена и этап 108 повторяют для выбора другого набора проводников.
Этап 108 может быть повторен много раз, при необходимости, с разными наборами проводников, до тех пор, пока не будут проанализированы различные, в некоторых случаях все комбинации. После проведения анализа различных комбинаций пользователь может рассмотреть все возможные варианты комбинаций, сохраненные на этапе 124, и определить, какие из них имеют наиболее пригодные (включая наиболее желательные или наилучшие) свойства для данной области применения, например, комбинации, имеющие наименьшее провисание на переходах с большими пролетами.
Процесс 100 может быть модифицирован для определения комбинаций проводников, удовлетворяющих различным проектным параметрам (например, для обеспечения наибольшего электрического тока или наименьшей стоимости). Например, Фиг.3 изображает блок-схему для примера процесса определения комбинации проводников, обеспечивающей наибольшую допустимую токовую нагрузку. Процесс аналогичен изображенному на Фиг.2, за исключением того, что добавлены дополнительные повторы для определения максимально допустимой рабочей температуры проводника для предварительно отобранных вариантов проводников. На Фиг.3 изображен пример процесса 200 выбора проводников и величины натяжения при установке, обеспечивающие максимально допустимую токовую нагрузку при использовании в выбранной воздушной линии электропередач. На этапе 202, проводник выбирают из базы данных проводников для определения проводника, соответствующего требованиям к минимальной допустимой токовой нагрузке (этап 204). Записывают рабочую температуру для выбранного проводника при требуемой минимально допустимой токовой нагрузке. Если проводник не обеспечивает минимально допустимой токовой нагрузки, необходимой для воздушной линии электропередачи, из базы данных выбирают другой проводник. Если проводник соответствует требованиям к минимальной допустимой токовой нагрузке, проводник сохраняют в списке отобранных проводников и записывают рабочую температуру минимальной допустимой токовой нагрузки для проводника (этап 206). На этапе 207 анализируют список проводников и, если требуются еще проводники, проводят дополнительное повторение этапов 202-206. Если для оценки дополнительные проводники не требуются, то на этапе 208 из списка отобранных проводников выбирают по меньшей мере пару проводников и выбирают низкое натяжение при установке (этап 210), например, 8% прочности на разрыв менее прочного из проводников.
Может быть создана модель анкерного участка для заданного натяжения при установке, и рассчитывают длину проводников в ненапряженном состоянии для каждого пролета. Для простоты можно принять, что разные типы проводников устанавливают с одинаковым натяжением и что связанные с ними подвесные гирлянды изоляторов сначала ориентированы вертикально. Установка зажимов проводников со смещением (т.е. невертикальные гирлянды изоляторов) может быть желательной и может быть предусмотрена. Затем моделируются механические характеристики проводников (включая натяжение) в разных условиях, в соответствии с требованиями принятой инженерно-конструкторской практики (например, экстремальный холод, гололедная и ветровая нагрузка) (этап 212), Механические нагрузки для этой модели оцениваются на этапе 214. Если определенные механические нагрузки являются неприемлемым при первой итерации определения натяжения при установке, то этап 108 повторяют и выбирают другой набор проводников. Если механические нагрузки будут найдены приемлемыми, то натяжение увеличивают с небольшим шагом (этап 216) и моделируют механические характеристики проводников (этап 212), проводя повторную проверку на нежелательную нагрузку. Если на этапе 214 механическая нагрузка является неприемлемой и это не является первой итерацией определения натяжения при установке (этап 218), то возвращаются (этап 220) к предыдущему значению натяжения при установке с этапа 216. Результаты моделирования, полученные с использованием максимально допустимого натяжения, могут быть использованы для оценки провисания для каждого пролета и определения того, были ли выполнены расчетные требования к провисанию (этап 222). Если провисание является неприемлемым и это является первой итерацией оценки провисания (этап 226), то данная комбинация проводников может быть отброшена и этап 208 повторяют для выбора другого набора проводников. Если провисание является приемлемым, то рассчитывают новую рабочую температуру для небольшого увеличения тока (например, примерно 5 ампер) (этап 224). Используя эту новую рабочую температуру, проводят повторную оценку провисания. Этот процесс пошагового увеличения тока и повторной оценки провисания повторяют до тех пор, пока провисание не перестанет быть приемлемым. Последняя комбинация проводников и тока с приемлемым провисанием (этап 228) может быть сохранена в качестве возможного варианта (этап 230).
Этап 208 может быть повторен многократно, при необходимости, с разными наборами проводников до тех пор, пока не будет проведена оценка различных, в некоторых случаях всех комбинаций. После проведения оценки различных комбинаций пользователь может рассмотреть все отобранные варианты комбинаций, сохраненные на этапе 230, и определить, которые из них обладают наиболее пригодными (включая наиболее желательные или наилучшие) свойствами для данных условий применения, например, наибольшей допустимой токовой нагрузкой для переходов с большими пролетами.
Разные исходные данные, которые могут использоваться в процессе принятия решения для определения возможных пар проводников, обеспечивающих пригодные комбинации, включают: базу данных свойств проводников, которая содержит данные, характеризующие проводники и рабочие параметры проводников (в частности, эта база данных проводников содержит иллюстративные данные, приведенные в Таблице 1 ниже, для каждого рассматриваемого проводника), длины пролетов для анкерного участка, высоты узлов крепления для существующих и/или планируемых башенных опор и изоляторов, длину подвески гирлянд изоляторов для существующих и/или планируемых конструкций, требования к величине зазора (типично установленные соответствующими электротехническими нормативами), погодные условия для расчета допустимой токовой нагрузки (например, типа данных, приведенных в Таблице 2; это погодные условия, используемые для определения допустимой нагрузки по току для проводника при данной рабочей температуре или, альтернативно, рабочей температуры при данной токовой нагрузке).
Таблица 1
Площадь поперечного сечения
Наружный диаметр
Удельный вес
Предел прочности на разрыв
Предельный модуль упругости
Коэффициент термического расширения
Сопротивление при 25°C
Сопротивление при 75°C
Коэффициент излучения
Коэффициент поглощения солнечного излучения
Теплоемкость наружных жил проводника
Теплоемкость сердечника
Таблица 2
Широта
Атмосфера
Солнечное время
Азимут линии
Температура воздуха
Скорость ветра
Направление ветра относительно проводника
Высотная отметка проводника
Установившийся ток
Нагрузки в сложных погодных условиях представляют собой условия, используемые проектировщиками линии передачи для представления наихудшей погоды, которая вероятно может ожидаться для линии передачи. Такие погодные условия типично включают наибольшую скорость ветра, самую низкую температуру и самое сильное обледенение. Часто также рассматриваются комбинации низкой температуры воздуха, льда и ветра. Допустимые нагрузки на проводник, которые обычно устанавливаются строительными или электротехническими нормативами, инженерно-конструкторской практикой или предприятием, эксплуатирующим линии электропередач, могут быть выражены в виде абсолютного натяжения проводника (например, 12000 фунтов (53376 Н)) или, например, в процентах от номинальной прочности на разрыв проводника (например, 40% номинальной прочности на разрыв). Допустимые нагрузки для башенных опор типично устанавливаются на основе несущей способности существующих и/или предлагаемых башенных опор. Допустимые отклонения изоляторов типично устанавливаются на основе электрического напряжения линии передачи, конструкции башенных опор и размеров гирлянд изоляторов.
Для определения приемлемости провисаний, натяжения и отклонения изоляторов может быть смоделирована воздушная линия электропередач и определены провисание, натяжение и отклонение изоляторов. На Фиг.4 изображен пример воздушной линии электропередачи в соответствии с настоящим изобретением 40, пересекающей реку 50, с тремя пролетами с разными примыкающими проводниками 48а (левый пролет), 49 (центральный пролет) и 48b (правый пролет), иллюстрирующий разные переменные воздушной линии электропередач.
Уравнение 1 ниже является примером математической матрицы для трехпролетной конфигурации, изображенной на Фиг.4, где проводники 48а и 48b являются идентичными и проводник 49 отличается от проводников 48а и 48b.
ins
h
s
c
s
c
Ts
s
Ts
Tc
1
2
З
1
2
Где L обозначает длину гирлянд изоляторов. T обозначает горизонтальный компонент натяжения, W обозначает вес проводника 48а/b, выраженный в массе/единицу длины. W обозначает вес проводника 49, выраженный в массе/единицу длины, a обозначает коэффициент термического расширения для проводника 48а/b, a обозначает коэффициент термического расширения для проводника 49, Δ обозначает модуль упругости для проводника 48а/b, E обозначает модуль упругости для проводника 49, Δ обозначает изменение температуры проводника 48а/b от состояния с нулевым напряжением, Δ обозначает изменение температуры проводника 49 от состояния с нулевьм напряжением, L обозначает длину проводника в ненапряженном состоянии в пролете 45, L обозначает длину проводника в ненапряженном состоянии в пролете 46, L обозначает длину проводника в ненапряженном состоянии в пролете 47, θ обозначает угол отклонения изолятора от нормального положения (т.е. перпендикулярного к горизонту) в направлении по часовой стрелке на второй башенной опоре, и θ - угол отклонения изолятора от нормального положения (т.е. перпендикулярного к горизонту) в направлении по часовой стрелке на третьей башенной опоре.
Уравнение 1 представляет собой пример способа определения параметров, таких как натяжение проводника и отклонение изоляторов, при изменении рабочей температуры для примера трехпролетного перехода, изображенного на Фиг.4. На основании результатов Уравнения 1 может быть определено провисание каждого пролета, возникающее после изменения рабочей температуры. Такие расчеты используются для определения пригодности пары проводников для конкретного применения. Кроме того, проектировщик конфигурации проводника типично проводит аналогичные расчеты для наиболее экстремальных погодных условий, которые могут ожидаться для воздушной линии электропередачи. Как описано выше, типично, такие погодные условия включают наибольшую скорость ветра, самую низкую температуру и самое сильное обледенение. Часто рассматриваются также комбинации низкой температуры воздуха, льда и ветра. Эти расчеты могут быть выполнены, например, путем модификации Уравнения 1 таким образом, чтобы рабочая температура проводника соответствовала заданной температуре воздуха и вместо веса проводника использовался "суммарный вес", учитывающий ветровую нагрузку и обледенение. Расчет суммарного веса можно найти в Overhead Conductor Manual, 1994, Southwire Company, Carrollton, GA.
Первые три строки Уравнения 1 отображают тот факт, что горизонтальное расстояние между узлами крепления равно начальной длине пролета минус эффект отклонения изоляторов, для левого, центрального и правого пролетов соответственно. Строки с четвертой по шестую Уравнения 1 представляют собой упрощенные цепные уравнения для левого, центрального и правого пролетов соответственно, хотя может быть желательно в некоторых случаях использовать более точные цепные уравнения. Строки с седьмой по девятую Уравнения 1 отображают тот факт, что длина проводника должна быть длиной в ненапряженном состоянии плюс удлинение, вызваное механической и тепловой деформацией, для левого, центрального и правого пролетов соответственно.
В Таблице 3, описаны переменные Уравнения 1 с указанием позиций в соответствии с Фиг.4.
Таблица 3
№ на Фиг.4
Соответствующая переменная Уравнения 1
Описание
41
H<sub>1</sub>
высота узла крепления проводника на первой башенной опоре
42
Н<sub>2</sub>
высота узла крепления проводника на второй башенной опоре
43
Н<sub>3</sub>
высота узла крепления проводника на третьей башенной опоре
44
H<sub>4</sub>
высота узла крепления проводника на четвертой башенной опоре
45
S<sub>1</sub>
длина пролета
46
S<sub>2</sub>
длина пролета
47
S<sub>3</sub>
длина пролета
51а
D<sub>a1</sub>
горизонтальное расстояние от первой башенной опоры до нижней точки проводника
51b
D<sub>a2</sub>
горизонтальное расстояние нижней точки проводника до первой башенной опоры
52
D<sub>1</sub>
горизонтальное расстояние от второй башенной опоры до нижней точки проводника
53
D<sub>2</sub>
горизонтальное расстояние нижней точки проводника до третьей башенной опоры
54a
D<sub>b1</sub>
горизонтальное расстояние от третьей башенной опоры до нижней точки проводника
54b
D<sub>a2</sub>
горизонтальное расстояние нижней точки проводника до четвертой башенной опоры
Уравнение 1 может быть решено несколькими способами, известными специалистам, включая хорошо известный итерационный метод решения Ньютона-Рафсона (Numerical Recipes in Fortran 2° Ed., Press W.H., Saul A.T., Vetteriing W.T., Flannery B.P., 1992 Cambridge University Press, New York, NY). Уравнение 1 принимает простую линейную модель для термомеханических характеристик проводника. Такое линейное поведение было выбрано для простоты. Однако использование более сложных моделей, нелинейных моделей поведения проводника по аналогичному способу также возможно и может быть желательным, например, для высокотемпературных проводников, таких как ACCR. Дополнительно, Уравнение 1 содержит дополнительные упрощающие допущения, такие как равенство горизонтальных компонентов натяжения для всех проводников. Квалифицированным специалистам будет понятно, что записанное в виде формул Уравнение 1 может быть легко распрстранено на любые из различных пролетов и/или типов проводников. Квалифицированным специалистам будет также понятно, что альтернативные способы составления уравнений, такие как метод конечных элементов, могут быть использованы для описания поведения этой же конфигурации проводника и получения аналогичного решения.
Зависимость напряжение-деформация для проводника может быть определена методами, известными специалистам (например, она может быть представлена простым линейным модулем или более сложными и хорошо известными полиномиальными кривыми напряжение-деформация, используемыми в нескольких типах программного обеспечения САПР линий передачи (например, программное обеспечение, доступное от фирмы АСА Conductor Accessories, Spartanburg, SC, под торговой маркой "SAG 10", от фирмы Powerline Systems, Madison, WI, под торговой маркой "PLS CADD).
2
Как упоминалось выше, анкерные участки линий передачи проектируются так, чтобы они всегда обеспечивали поддержание желательных или требуемых зазоров. Для обеспечения достаточных зазоров при любых погодных и электрических нагрузках проект воздушной линии электропередач учитывает характеристики провисания проводника. Расчеты натяжения провисания используются для прогнозирования характеристик провисания проводника в различных условиях. Такие расчеты натяжения провисания нормально выполняются численно с использованием разных условий нагрузки и характеристик линии. Одним из важных условий нагрузки является провисание и натяжение проводника при разных рабочих температурах. При прохождении по проводнику большего тока его температура повышается вследствие активных потерь "IR", и он удлиняется в результате термического расширения материалов. С удлинением проводника натяжение в пролете уменьшается и провисание проводника увеличивается. Обычное упрощенное уравнение провисания представлено Уравнением 2,
h
где w обозначает вес/единицу длины проводника, S обозначает длину пролета и T обозначает горизонтальный компонент натяжения. Решают Уравнение 2, определяя провисание, с использованием результатов, полученных из Уравнения 1.
В некоторых иллюстративных вариантах исполнения каждая субсекция натяжного участка воздушной линии электропередачи, используемого в практике настоящего изобретения, имеет длину, равную по меньшей мере примерно 100 метров, хотя предусматриваются другие величины длины. В некоторых вариантах исполнения каждая субсекция натяжного участка воздушной линии электропередачи имеет длину по меньшей мере примерно 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000, 15000, 20000 или даже по меньшей мере примерно 25000 метров.
Пример проводника воздушных линий электропередачи для субсекций натяжных участков воздушной линии электропередачи включает кабели для воздушной линии электропередачи, имеющие сердечники, содержащие по меньшей мере один из композитного (например, из композита с алюминиевой матрицей и полимерного композита) провода (проводов), инварного провода (проводов), стального провода (проводов), полимерного (например, арамидного и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольного)) материала (например, полимерные провода), керамики, бора, графита, углерода, титана (например, в виде провода (проводов)), вольфрама (например, в виде провода (проводов)) и/или сплава с эффектом памяти формы (например, в виде провода (проводов)) и их комбинации. Типично алюминиевые проволоки, медные проволоки, проволоки из алюминиевых сплавов, и/или проволоки из медных сплавов накручиваются вокруг сердечников. Один из примеров кабеля воздушной линии электропередачи с композитным сердечником содержит композитный сердечник с алюминиевой матрицей и алюминиевые проволоки, медные проволоки, проволоки из алюминиевых сплавов и/или проволоки из медных сплавов, скрученные вокруг сердечника. Проводник, имеющий сердечник из композита с алюминиевой матрицей, иногда называется алюминиевым армированным композитным проводником ("ACCR").
В некоторых вариантах исполнения композитный сердечник, используемый по настоящему изобретению, содержит по меньшей мере один (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 или даже по меньшей мере 50) непрерывный удлиненный композит (например, проволоку) или инвар (например, проволоку). В некоторых вариантах исполнения композитный сердечник, используемый по настоящему изобретению, имеет площадь поперечного сечения, где по меньшей мере 5 (в некоторых вариантах исполнения 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 или даже 100) процентов площади поперечного сечения сердечника приходится на композит (например, в виде провода (проводов)) или инвар (например, в виде провода (проводов)). В некоторых вариантах исполнения сердечник, используемый по настоящему изобретению, включающий по меньшей мере один из композит- или инварсодержащего сердечника, далее включает стальные проволоки, полимерные (например, арамидные и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольные)) волокна, керамические волокна, борные волокна, графитовые волокна, углеродные волокна, титановые проволоки, вольфрамовые проволоки, проволоки из сплава с эффектом памяти формы и их комбинации.
В некоторых вариантах исполнения первая и/или вторая (или другие, дополнительные) последовательные субсекции натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи не содержат композита и имеют сердечник, содержащий стальные проволоки, полимерные (например, арамидные и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольные)) волокна, керамические волокна, борные волокна, графитовые волокна, углеродные волокна, титановые проволоки, вольфрамовые проволоки, проволоки из сплава с эффектом памяти формы и их комбинации. В некоторых вариантах исполнения сердечник такой первой и/или второй (или других, дополнительных) последовательных субсекций натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи содержит по меньшей мере одну (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 или даже по меньшей мере 50) стальных проволок, полимерных (например, арамидных и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольных)) волокон, керамических волокон, борных волокон, графитовых волокон, углеродных волокон, титановых проволок, вольфрамовых проволок, проволок из сплава с эффектом памяти формы и их комбинаций. В некоторых вариантах исполнения сердечник такой второй последовательной субсекции натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи имеет площадь поперечного сечения, в которой по меньшей мере 5 (в некоторых вариантах исполнения 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 или даже 100) процентов площади поперечного сечения сердечника приходится на стальные проволоки, полимерные (например, арамидные и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольные)) волокна, керамические волокна, борные волокна, графитовые волокна, углеродные волокна, титановые проволоки, вольфрамовые проволоки, проволоки из сплава с эффектом памяти формы и их комбинации.
В некоторых вариантах исполнения анкерный участок проводник воздушной линии электропередачи в соответствии с настоящим изобретением далее включает по меньшей мере одну дополнительную (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 или даже больше) субсекций натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи. В некоторых вариантах исполнения дополнительная субсекция (субсекции) натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи могут независимо представлять собой композитный сердечник, содержащий по меньшей мере один (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 или даже по меньшей мере 50) композитных проводов. В некоторых вариантах исполнения дополнительная субсекция (субсекции) натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи может независимо представлять собой композитный сердечник, имеющий по меньшей мере 5 (в некоторых вариантах исполнения 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 или даже 100) процентов площади поперечного сечения сердечника, приходящейся на композит (например, в виде провода (проводов)), или сердечник, не содержащий композита и содержащий стальные проволоки, инвар (например, в виде провода (проводов)), полимерные (например, арамидные и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольные)) волокна, керамические волокна, борные волокна, графитовые волокна, углеродные волокна, титановые проволоки, вольфрамовые проволоки, проволоки из сплава с эффектом памяти формы и их комбинации. В некоторых вариантах исполнения сердечник(и) дополнительных субсекций натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи, содержащие композит в сердечнике, также содержат стальные проволоки, полимерные (например, арамидные и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольные)) волокна, керамические волокна, борные волокна, графитовые волокна, углеродные волокна, титановые проволоки, вольфрамовые проволоки, проволоки из сплава с эффектом памяти формы и их комбинации. В некоторых вариантах исполнения сердечник(и) дополнительной субсекции (субсекций) натяжного участка проводника воздушной линии электропередачи не содержат композита в сердечнике и содержат по меньшей мере одну (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 или даже по меньшей мере 50) стальных проволок, волокон полимерного материала (например, арамидные и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольные)), керамических волокон, борных волокон, графитовых волокон, углеродных волокон, титановых проволок, вольфрамовых проволок, проволок из сплава с эффектом памяти формы и их комбинаций. В некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 5 (в некоторых вариантах исполнения 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 или даже 100) процентов площади поперечного сечения дополнительных субсекций натяжного участка сердечник приходится на стальные проволоки, полимерные (например, арамидные и поли(п-фенилен-2,6-бензобисоксазольные)) волокна, керамические волокна, борные волокна, графитовые волокна, углеродные волокна, титановые проволоки, вольфрамовые проволоки, проволоки из сплава с эффектом памяти формы и их комбинации.
Примеры проводников воздушных линий электропередачи для натяжных субсекций, используемых по настоящему изобретению, включают сталеалюминиевый проводник (ACSR), термостойкий армированный сталью проводник из алюминиевого сплава (TACSR), сверхтермостойкий армированный сталью проводник из алюминиевого сплава (ZTACSR), сверхтермостойкий армированный инваром проводник из алюминиевого сплава (ZTACIR), теплостойкие алюминиевые сплавы (ZTAL), сверхтермостойкий армированный сталью проводник из алюминиевого сплава (ZTACSR), особо термостойкий армированный сталью проводник из алюминиевого сплава (XTACSR), особо термостойкий армированный инваром проводник из алюминиевого сплава (XTACIR), сверхтермостойкий сталеалюминиевый сплав с щелевым зазором (GZTACSR), высокопрочный термостойкий армированный сталью проводник из алюминиевого сплава (KTACSR), цельноалюминиевый проводник (ААС), проводник, выполненный целиком из алюминиевого сплава (АААС), алюминиевый проводник с композитным сердечником (АССС) и алюминиевый проводник с несущим стальным элементом (ACSS).
-6
-6
-6
-6
-6
-6
-6
-6
Проволоки для скручивания вокруг сердечника для получения проводника, используемого в практике настоящего изобретения, известны специалистам. Алюминиевые проволоки являются коммерчески доступными, например, от фирм Nexans (Weybum, Canada), или Southwire Company (Carrollton, GA) под торговыми марками "1350-H19 ALUMINIUM" и "1350-Н0 ALUMINIUM". Типично, алюминиевая проволока имеет коэффициент термического расширения в интервале значений от примерно 20×10/°C до примерно 25×10/°C по меньшей мере в интервале температур от примерно 20°C до примерно 500°C. В некоторых вариантах исполнения алюминиевые проволоки (например, "1350-H19 ALUMINIUM") имеют прочность на разрыв, по меньшей мере 138 МПа (20 ksi = тысяч фунтов на квадратный дюйм), 158 МПа (23 ksi), 172 МПа (25 ksi), 186 МПа (27 ksi) или даже по меньшей мере 200 МПа (29 ksi). В некоторых вариантах исполнения алюминиевые проволоки (например, "1350-Н0 ALUMINIUM") имеют прочность на разрыв от более 41 МПа (6 ksi) до не более 97 МПа (14 ksi) или даже не более 83 МПа (12 ksi). Проволоки из алюминиевых сплавов являются коммерчески доступными, например, от фирмы Sumitomo Electric Industries (Osaka, Japan) под торговой маркой "ZTAL", или от фирмы Southwire Company (Carrollton, GA) под маркой "6201". В некоторых вариантах исполнения проволоки из алюминиевых сплавов имеют коэффициент термического расширения в интервале значений от примерно 20×10/°C до примерно 25×10/°С по меньшей мере в интервале температур от примерно 20°C до примерно 500°C. Медные проволоки являются коммерчески доступными, например, от фирмы Southwire Company (Carrollton, GA). Типично, медные проволоки имеют коэффициент термического расширения в интервале значений от примерно 12×10/°C до примерно 18×10/°С по меньшей мере в интервале температур от примерно 20°C до примерно 800°C. Проволоки из медных сплавов (например, медные бронзы, такие как Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd; где X=Fe, Mn, Zn, Sn и/или Si; коммерчески доступны, например, от фирмы Southwire Company (Carrollton, GA); упрочненная дисперсными оксидами медь доступна, например, от фирмы OMG Americas Corporation (Research Triangle Park, NC), под маркой "GLIDCOP"). В некоторых вариантах исполнения проволоки из медных сплавов имеют коэффициент термического расширения в интервале значений от примерно 10×10/°C до примерно 25×10/°C по меньшей мере в интервале температур от примерно 20°C до примерно 800°C. Проволоки могут иметь любые из различных форм (например, круглые, эллиптические и трапецеидальные).
Пригодные проводники воздушных линий электропередачи для субсекций натяжных участков воздушной линии электропередачи, имеющие сердечники, содержащие провод (провода) из композита с алюминиевой матрицей, могут быть изготовлены известными специалистам способами. Примеры пригодных непрерывных (т.е. имеющих длину, являющуюся относительно бесконечной по сравнению со средним диаметром волокна) керамических волокон для сердечников ACCR-проводников воздушных линий электропередачи включают стеклянные волокна, карбидокремниевые волокна и керамические оксидные волокна. Типично, керамические волокна являются кристаллическими керамическими материалами (т.е. обладают заметной порошковой рентгенограммой) и/или смесью кристаллических керамических материалов и стекла (т.е. волокно может содержать как кристаллическую керамическую, так и стеклянную фазы), хотя они также могут быть стеклянными. В некоторых вариантах исполнения волокно является по меньшей мере на 50 (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99 или даже 100) % мас. кристаллическим. Примеры пригодных кристаллических керамических оксидных волокон включают жаростойкие волокна, такие как волокна из оксида алюминия, алюмосиликатные волокна, алюмоборатные волокна, алюмоборосиликатные волокна, волокна из оксидов циркония и кремния и их комбинации.
2
3
2
3
В некоторых вариантах исполнения сердечников ACCR-проводников воздушных линий электропередачи желательно, чтобы волокна содержали по меньшей мере 40 (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 50, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99 или даже 100) об.% AlO, от общего объема волокна. В некоторых вариантах исполнения желательно, чтобы волокна содержали от 40 до 70 (в некоторых вариантах исполнения в интервале значений от 55 до 70 или даже от 55 до 65) об.% AlO, от общего объема волокна.
Далее, типичные стеклянные волокна доступны, например, от фирмы Corning Glass (Corning, NY). Типично, непрерывные стеклянные волокна имеют средний диаметр волокна в интервале значений от примерно 3 микрометров до примерно 19 микрометров. В некоторых вариантах исполнения стеклянные волокна имеют среднюю прочность на разрыв, равную по меньшей мере 3 ГПа, 4 ГПа и или даже по меньшей мере 5 ГПа. В некоторых вариантах исполнения стеклянные волокна имеют модуль в интервале значений от примерно 60 ГПа до 95 ГПа или от примерно 60 ГПа до примерно 90 ГПа.
2
3
2
Волокна из оксида алюминия описаны, например, в патентах США №№4954462 (Wood et al.) и 5185299 (Wood et al.). В некоторых вариантах исполнения волокна из оксида алюминия представляют собой поликристаллические волокна альфа-оксида алюминия и содержат, в пересчете на теоретическое содержание оксида, более 99% мас. AlO и 0,2-0,5% мас. SiO, от общего веса волокон оксида алюминия. В другом аспекте некоторые желательные поликристаллические волокна из альфа-оксида алюминия содержат альфа-оксид алюминия, имеющий средний размер частиц менее 1 микрометра (или даже, в некоторых вариантах исполнения менее 0,5 микрометра). В другом аспекте в некоторых вариантах исполнения поликристаллические волокна альфа-оксида алюминия имеют среднюю прочность на разрыв, равную по меньшей мере 1,6 ГПа (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 2,1 ГПа или даже по меньшей мере 2,8 ГПа), при определении в соответствии с методикой испытаний прочности на разрыв, описанной в патенте США №6460597 (McCullough et al.). Примером волокон из альфа-оксида алюминия являются волокна, которые продаются под торговой маркой "NEXTEL 610" фирмой 3М Company (St. Paul, MN).
Алюмосиликатные волокна описаны, например, в патенте США №4047965 (Karst et al.). Примером алюмосиликатных волокон являются волокна, которые продаются под торговыми марками "NEXTEL 440", "NEXTEL 550" и "NEXTEL 720" фирмой 3М Company.
Алюмоборатные и алюмоборосиликатные волокна описаны, например, в патенте США №3795524 (Sowman). Примером алюмоборосиликатных волокон являются волокна, которые продаются под торговой маркой "NEXTEL 312" фирмой 3М Company.
Волокна из оксидов циркония и кремния описаны, например, в патенте США №3709706 (Sowman).
Типично, непрерывные керамические волокна имеют средний диаметр волокна, равный по меньшей мере примерно 5 микрометров, более типично, в интервале значений от примерно 5 микрометров до примерно 20 микрометров; и в некоторых вариантах исполнения в интервале значений от примерно 5 микрометров до примерно 15 микрометров.
Типично, керамические волокна изготовлены в виде жгутов. Жгуты известны в технологии изготовления волокон и типично включают множество (индивидуальных) обычно нескрученных волокон (типично, по меньшей мере 100 волокон, более типично, по меньшей мере 400 волокон). В некоторых вариантах исполнения жгуты содержат по меньшей мере 780 индивидуальных волокон в жгуте, и в некоторых случаях по меньшей мере 2600 индивидуальных волокон в жгуте или по меньшей мере 5200 индивидуальных волокон в жгуте. Доступны жгуты различных керамических волокон различной длины, включая 300 метров, 500 метров, 750 метров, 1000 метров, 1500 метров и больше. Волокна могут иметь круглю, эллиптическую или гантелеобразную форму поперечного сечения.
Примером борных волокон являются волокна, коммерчески доступные, например, от фирмы Textron Specialty Fibers, Inc. (Lowell, MA). Типично, такие волокна имеют длину порядка по меньшей мере 50 метров и могут даже иметь длину порядка километров или больше. Типично, непрерывные борные волокна имеют средний диаметр волокна в интервале значений от примерно 80 микрометров до примерно 200 микрометров. Более типично, средний диаметр волокна составляет не более 150 микрометров, наиболее типично - в интервале значений от 95 микрометров до 145 микрометров. В некоторых вариантах исполнения борные волокна имеют среднюю прочность на разрыв, равную по меньшей мере 3 ГПа и/или даже по меньшей мере 3,5 ГПа. В некоторых вариантах исполнения борные волокна имеют модуль в интервале значений от примерно 350 ГПа до примерно 450 ГПа или даже в интервале значений от примерно 350 ГПа до примерно 400 ГПа.
Далее, примером карбидокремниевых волокон являются волокна, продаваемые, например, фирмой COI Ceramics (San Diego, CA) под торговой маркой "NICALON" в виде жгутов по 500 волокон, фирмой Ube Industries (Япония), под торговой маркой "TYRANNO", и фирмой Dow Corning (Midland, MI) под торговой маркой "SYLRAMIC".
Примером карбидокремниевых элементарных волокон являются волокна, продаваемые, например, фирмой Specialty Materials, Inc. (Lowell, MA) под торговыми марками "SCS-9", "SCS-6", и "Ultra-SCS".
Примерами металлического алюминия для матрицы являются элементарный алюминий высокой чистоты (например, более 99,95%) или сплавы чистого алюминия с другими элементами, такими как медь. Типично, материал с алюминиевой матрицей выбирают таким образом, чтобы материал матрицы химически по существу не реагировал с волокном (т.е. был относительно химически инертным по отношению к материалу волокна), например, для устранения необходимости обеспечения защитного покрытия на поверхности волокна.
В некоторых вариантах исполнения алюминиевая матрица содержит по меньшей мере 98 мас.% алюминия, по меньшей мере 99 мас.% алюминия, более 99,9 мас.% алюминия или даже более 99,95 мас.% алюминия. Примеры алюминиевых сплавов алюминия и меди содержат по меньшей мере 98 мас.% алюминия и до 2 мас.% меди. В некоторых вариантах исполнения пригодными алюминиевыми сплавами являются алюминиевые сплавы серий 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 и/или 8000 (обозначения Aluminium Association). Хотя обычно желателен алюминий более высокой чистоты, позволяющий получить проволоку с более высокой прочностью на разрыв, менее чистые формы металлов также являются пригодными.
Пригодный алюминий доступен, например, под торговой маркой "SUPER PURE ALUMINIUM; 99,99% A1" от фирмы Alcoa (Pittsburgh, PA). Алюминиевые сплавы (например, A1-2 мас.% Сu (0,03% мас. примесей)) могут быть получены, например, от фирмы Belmont Metals (New York, NY).
Композитные сердечники и проволоки типично составляют по меньшей мере 15 об.% (в некоторых вариантах исполнения по меньшей мере 20, 25, 30, 35, 40, 45 или даже 50 об.%) волокон от общего суммарного объема волокон и материала алюминиевой матрицы. Более типично, композитные сердечники и проволоки составляют от 40 до 75 (в некоторых вариантах исполнения 45-70) об.% волокон, от общего суммарного объема волокон и материала алюминиевой матрицы.
Типично, средний диаметр сердечника имеет значение в интервале от примерно 3 мм до примерно 40 мм. В некоторых вариантах исполнения средний диаметр сердечника желательно составляет по меньшей мере 10 мм, по меньшей мере 15 мм, 20 мм или даже до примерно 25 мм (например, от 10 мм до 30 мм). Типично средний диаметр композитной проволоки находится в интервале значений от примерно 1 мм до 12 мм, от 1 мм до 10 мм, от 1 до 8 мм или даже от 1 мм до 4 мм. В некоторых вариантах исполнения средний диаметр композитной проволоки желательно составляет по меньшей мере 1 мм, по меньшей мере 1,5 мм, 2 мм, 3 мм, 4 мм, 5 мм, 6 мм, 7 мм, 8 мм, 9 мм, 10 мм, 11 мм или даже по меньшей мере 12 мм.
Технологии изготовления алюминиевых композитных проволок известны специалистам. Например, непрерывная проволока с металлической композитной матрицей может быть изготовлена с использованием процессов непрерывной пропитки металлической матрицы. Один пригодный процесс описан, например, в патенте США №6485796 (Carpenter et al). Другие технологические схемы для композитов с металлической матрицей, армированной непрерывным волокном, описаны, например, в ASM Handbook Vol.21, Composites, pp.584-588 (ASM International, Metals Park, ОН), опубликованном в 2001 г.
2
2
Проводники воздушных линий электропередачи, имеющие сердечники, содержащие стальную проволоку (проволоки), являются коммерчески доступными, например, от фирмы Southwire (Carrollton, GA). Типично, стальные проволоки сердечника представляют собой сталь от средней до высокой прочности с номинальной прочностью на разрыв в интервале значений от 1172 МПа (170 ksi) до 1931 МПа (280 ksi) и обычно имеют покрытие для придания хорошей коррозионной стойкости. Обычные материалы покрытия включают цинк (также известны как оцинкованные) или цинковый сплав с 5% алюминия-мишметалла. Дополнительными типами покрытий являются алюминий или плакирующее алюминиевое покрытие, например сталь, плакированная алюминием (например, "ALUMOWELD", доступна от фирмы Alumoweld, Duncan, SC), такая как проволоки американского калибра AWG #4 (с номинальным диаметром 0,2043 дюйма (5,18 мм), пределом прочности на разрыв 115 ksi (109 кг/мм), весом 93,63 фунтов/1000 футов (139,3 кг/км) и сопротивлением 1,222 Ом/1000 футов при 68°F (4,009 Ом/км при 20°C)), Проволоки AWG #8 (с номинальным диаметром 0,1285 дюйма (3,264 мм), пределом прочности на разрыв 195 ksi (137 кг/мм), весом 37,03 фунтов/1000 футов (55,11 кг/км) и сопротивлением 3,089 Ом/1000 футов при 68°F (10,13 Ом/км при 20°C)).
Проводники с полимерным сердечником, такие как композитный сердечник из стеклянного волокна/углеродного волокна, доступны, например, от фирмы Composite Technology Corporation (Irvine, CA) под торговой маркой "ACCC/TW DRAKE". Полимерные композиты, армированные углеродным волокном, доступны, например, от фирмы Tokyo Rope (Япония). Алюминиевые проволоки, армированные карбидокремниевьми волокнами, доступны, например, от фирмы Nippon Carbon (Япония). Алюминиевые проволоки, армированше графитовыми волокнами, доступны, например, от фирмы Yazaki Corp. (Япония).
-6
-6
-6
-6
-6
3
3
3
3
3
3
3
3
В некоторых вариантах исполнения коэффициенты термического расширения проводника субсекций натяжных участков воздушной линии электропередачи находятся в интервале значений от нуля до 25×10/°C (в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 8×10/°C до 20×10/°C или даже от 14×10/°C до 20×10/°C). В некоторых вариантах исполнения плотности проводника натяжных субсекций линии электропередачи находятся в интервале значений от 1,4 г/см до 20 г/см (в некоторых вариантах исполнения - в интервале значений от 16 г/см до 19 г/см, от 2,7 г/см до 3,6 г/см или от 2,2 г/см до 4,5 г/см).
Проводники, используемые по настоящему изобретению, типично являются скрученными. Скрученный проводник типично включает центральный провод и первый слой проволок, спирально скрученных вокруг центрального провода. Скручивание проводников представляет собой процесс, в котором индивидуальные пучки проводов объединяются в спиральной конфигурации для получения готового проводника (см., например, патенты США №№5171942 (Powers) и 5554826 (Gentry)). Образующийся спирально скрученный проволочный трос обеспечивает гораздо большую гибкость, чем может быть получена для сплошного стержня с эквивалентной площадью поперечного сечения. Спиральная конфигурация также удобна потому, что скрученный проводник сохраняет свою в общем круглую форму поперечного сечения, когда проводник подвергается сгибанию в процессе транспортировки, установки и использования. Спирально скрученные проводники могут содержать от всего 7 индивидуальных жгутов до более распространенных конструкций, содержащих 50 или больше жгутов.
3
3
В некоторых вариантах исполнения и типично площадь поперечного сечения проводника находится в интервале значений от примерно 100 мм до примерно 1400 мм.
Дополнительные подробности, касающиеся изготовления проволок и проводников из композита с алюминиевой матрицей включают приведенные, например, в патентах США №№5501906 (Deve), 6180232 (McCullough et al.), 6245425 (McCullough et al.), 6336495 (McCullough et al.), 6544645 (McCullough et al.), 6447927 (McCullough et al.), 6460597 (McCullough et al.), 6329056 (Deve et al.), 6344270 (McCullough et al.), 6485796 (Carpenter et al.), 6559385 (Johnson et al.), 6796365 (McCullough et al.), 6723451 (McCullough et al.), 6692842 (McCullough et al.), 6913838 (McCullough et al.), и патентах США №7093416 (Johnson et al.); и 7131308 (McCullough et al.), и в публикациях патентных заявок США №№2004/0190733 (Nayar et al.); 2005/0181228 (McCullough et al.); 2006/0102377 (Johnson et al.); 2006/0102378 (Johnson et al.); и 2007/0209203 (McCullough et al; и заявке США №60/755690, поданной 30 января 2005 г., которые относятся к изготовлению и использованию композитных проволок с металлической матрицей и содержащих их проводников. Проводники, содержащие композит с алюминиевой матрицей также доступны, например, от фирмы 3М Company под торговой маркой "795 kcmil ACCR".
Дополнительные подробности, касающиеся выбора типов проводников, типов материалов, используемых для проводников, способов изготовления натяжных субсекций, способов соединения натяжных субсекций, типов воздушных линий электропередачи и других связанных примеров, можно найти в патентных заявках США №№11/617461 и 11/617480, поданных 28 декабря 2006 г.
Следующий пример приводится для помощи в понимании настоящего изобретения и не должен истолковываться как ограничивающий его объем.
Пример
Следующий пример моделирует трехпролетную конфигурацию для перехода через реку, изображенного на Фиг.4. В модели использовались два проводника с разными площадями поперечного сечения: проводник типа ASCR Chukar 1780 kcmil 84/19 strand (доступный, например, от фирмы Southwire Company, Carrollton, GA) для коротких пролетов 48а и 48b; и проводник типа ACSR Drake 795 kcmil 26/7 (доступный, например, от фирмы Southwire Company) для центрального пролета 49. Параметры трехпролетной конфигурации, изображенной на Фиг.4, описаны в Таблице 4.
Таблица 4
S<sub>1</sub>
400 м
S<sub>2</sub>
1000 м
S<sub>3</sub>
400 м
H<sub>1</sub>
20 м
H<sub>2</sub>
100 м
Н<sub>3</sub>
100 м
H<sub>4</sub>
20 м
L<sub>ins</sub>
5 м
Для проводника типа Chukar была использована упрощенная модель гибкого кабеля (без пластической деформации и без нелинейных коэффициентов), использующая параметры, приведенные в Таблице 5 ниже, на основе данных, полученных с веб-сайта Powerline Systems, Inc. (Madison, WI).
Таблица 5
Площадь поперечного сечения
976 мм<sup>2</sup>
Наружный диаметр
40,7 мм
Удельный вес
30,28 Н/м
Предел прочности на разрыв
226859 Н
Предельный модуль упругости
621,9МПа/100
Коэффициент термического расширения
0,0020396/100 градусов
Сопротивление при 25°C
0,03486 Ом/км
Сопротивление при 75°C
0,04089 Ом/км
Коэффициент излучения
0,5
Коэффициент поглощения солнечного излучения
0,5
Теплоемкость наружных жил проводника
2394 Вт-с/м-°С
Теплоемкость сердечника
274,0 Вт-с/м-°С
Для проводника типа Drake была использована упрощенная модель гибкого кабеля (без пластической деформации и без коэффициентов), использующая параметры, приведенные в Таблице 6, на основе данных, полученных с веб-сайта Powerline Systems, Inc.
Таблица 6
Площадь поперечного сечения
468,6 мм<sup>2</sup>
Наружный диаметр
28,14 мм
Удельный вес
15,96 Н/м
Предел прочности на разрыв
140119Н
Предельный модуль упругости
696,4 МПа/100
Коэффициент термического расширения
0,0018819/100 градусов
Сопротивление при 25°C
0,07245 Ом/км
Сопротивление при 75°C
0,08637 Ом/км
Коэффициент излучения
0,5
Коэффициент поглощения солнечного излучения
0,5
Теплоемкость наружных жил проводника
1064Вт-с/м-°С
Теплоемкость сердечника
244,0 Вт-с/м-°С
Таблица 7 содержит типичные условия окружающей среды для расчета допустимой токовой нагрузки проводника. Используя параметры, приведенные в Таблицах 4-7, прикладная программа, полученная от фирмы Powerline Systems, Inc. под торговой маркой "PLS CADD" version 8.0, была использована для оценки рабочей температуры проводника с использованием параметров программы "день года, дающий максимум солнечного тепла" и IEEE 738-1993.
Таблица 7
Широта
30°
Атмосфера
Прозрачная
Солнечное время
11-00
Азимут линии
90°
Температура воздуха
25°C
Скорость ветра
0,6096 м/с
Направление ветра относительно проводника
90°
Высотная отметка проводника
Нет
Установившийся ток
1044 ампер
Результаты этой оценки показали, что проводник Drake будет работать при максимальной температуре 90°C и проводник Chukar будет иметь максимальную температуру 54,6°C.
Используя рассчитанные рабочие температуры и данные из Таблиц 4-6, Уравнение 1 было использовано для определения натяжения и отклонения изоляторов для трехпролетной конфигурации, изображенной на Фиг.4. Принимая, что оба проводника устанавливаются с равным натяжением 25000 Н, температура воздуха равна 15°C и изоляторы в начальный момент расположены вертикально, после достижения проводниками их полных рабочих температур, равных 90°C и 54,6°C, Уравнение 1 дает отклонение изоляторов приблизительно на 0,9° в сторону от центрального пролета и горизонтальный компонент натяжения проводника, равный примерно 24100 Н. Наоборот, если бы более легкий ACSR проводник типа Drake был использован для всего пересечения, изображенного на Фиг.4, то, при использовании параметров метода определения зависимости провисание-натяжение для определяющего пролета (ruling span-based sag-tension method) программы PLS CADD, горизонтальный компонент натяжения снижается до примерно 23300 Н при работе при 90°C.
h
h
Уравнение 1 было использовано для нахождения T. Это значение T было затем использовано в Уравнении 2 для нахождения провисания. Для трехпролетной конфигурации, содержащей ASCR проводники типов Drake и Chuker, центральный пролет (49) имеет расчетное провисание, равное примерно 83 метрам. При проведении этих же расчетов с использованием одного типа проводника для всего перехода, например только ACSR проводника типа Drake, расчетное провисание для центрального пролета составляет 86 метров.
Неожиданно, переход со смешанными проводниками имеет провисание в центральном пролете примерно на 3 метра меньше, что может быть желательным, например, для прохождения под переходом судов большего размера.
Для квалифицированных специалистов будут очевидны разные модификации и изменения данного изобретения, не выходящие за пределы объема и сущности настоящего изобретения, и следует понимать, что данное изобретение не должно неоправданно ограничиваться описанными тут иллюстративными вариантами исполнения.