Безгололедный провод ВЛ

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована при строительстве и реконструкции воздушных линий электропередач для защиты от опасных режимов гололедообразования и «пляски» проводов в районах, подверженных гололедно-ветровым нагрузкам.
Известны аналоги неизолированных и изолированных проводов, применяемых на воздушных линиях электропередачи [1)3уев Э.Д. «О классификации инновационных конструкций проводов воздушных ЛЭП», жур. «Кабель-NEWS» №3, 2013 г., с. 18-23; 2) Бошнякович А.Д. «Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи», М-Л., 1962 г. ].
Недостатком указанных аналогов является их подверженность к гололедообразованию, «пляске» проводов. Эти опасные режимы приводят к схлестыванию и перегоранию проводов, повреждению опор и отдельных конструктивных элементов, в результате существенно снижается надежность работы линий электропередач.
Наиболее близким прототипом к заявленному является композитный провод марки АССС с гладкой поверхностью, на которой благодаря трапециедальной форме проволок в наружном повиве, несколько снижаются, но не устраняются гололедные отложения [Каталог проводов нового поколения ВЛ фирмы ООО «Ламифил», апр. 2018 г. ].
И существенным недостатком этих проводов является подверженность гололедным отложениям, «пляске» и вибрации проводов, что приводит к массовым аварийным происшествиям в электросетях и значительно снижается надежность энергоснабжения потребителей.
Задачей полезной модели является предотвращение на неизолированных проводах гололедных отложений и «пляски» проводов.
Поставленная задача достигается тем, что в проводах, содержащих повивы композитных, алюминиевых проволок, в наружный повив встроены ферромагнитные проволоки трапециедальной и Z-образной формы, термозакаленные отдельными участками в количестве не более половины проволок внешнего повива, при этом сопротивление встроенных ферромагнитных проволок на порядок больше сопротивления остальных проволок провода.
Существо полезной модели поясняется чертежом. На фигуре изображено сечение заявляемого провода. Провод содержит проволоки провода 1 и ферромагнитные проволоки 2, расположенные в наружном повиве.
Физическая сущность предотвращения гололедных отложений, «пляски» и вибрации на заявляемом проводе заключается в том, что при протекании нагрузочных токов наибольшее токораспределение благодаря т.н. Скин-эффекту происходит в ферромагнтных проволоках, так как их сопротивление больше сопротивления проволок провода. В результате наружный повив провода в эксплуатационном режиме имеет подогретую поверхность и гололедные отложения и «пляска» изначально предотвращаются.
В заявляемом безгололедном проводе против гололеда, «пляски» и вибрации реализовано три эффекта.
Первый эффект - нагрев поверхности проводов. Этот нагрев происходит благодаря расположению в наружном повиве встроенных ферромагнитных проволок с большим сопротивлением и благодаря действию т.н. Скин-эффекта, т.е. протеканию токов нагрузки в поверхностных проволоках провода.
Ниже приводятся подтверждающие расчеты по композитным и алюминиевым проводам.
Полное сопротивление проводника определяется следующим образом [Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4-35-110 кВ, Том 1 М., Папирус ПРО, 1999]:
где:
R - активное сопротивление проводника, ом;
L
X - индуктивное сопротивление проводника,ом;
C
Х - емкостное сопротивление проводника, ом.
L
C
C
При рассмотрении отдельно взятого проводника X >> Х, т.е. полное сопротивление проводника носит преимущественно активно-индуктивный характер и сопротивлением Х можно пренебречь. Поэтому
Активное сопротивление R вычисляется по формуле:
-6
ρ - удельное сопротивление материала, ом⋅м⋅10;
l - длина проводника, м;
2
S - площадь сечения проводника, м и тогда:
L
т.е. полное (активно-индуктивное) сопротивление проводника зависит от диаметра (сечения) S, длины проводника l, сопротивления проводника ρ, а также от индуктивного сопротивления X проводника.
Удельное активное сопротивление ρ - величина постоянная и определяется только материалом проводника и температурой окружающей среды. В соответствии с ГОСТ 22265-76 «Материалы проводниковые. Термины и определения» для проводников из композитных и ферромагнитных проволок значения р соответственно равны (при t=20°С):
2
К
Ф
Провод марки GZTACSR185 в соответствии с ГОСТ 839-80Е имеет сечение композитной части 185,0 мм. Отсюда, зная значения р для композитных и ферромагнитных проволок, находим значения R и R:
, отсюда находим:
раз, т.е. в проводе GZTACSR185 сопротивление ферромагнитной проволоки больше сопротивления композитных проволок в 10,1 раза.
Из приведенного расчета видно, что электрическое сопротивление ферромагнитных проволок значительно выше (больше на один порядок), чем сопротивление композитных проволок провода. Следовательно, нагрев ферромагнитных проволок будет происходить при протекании токов нагрузки значительно сильнее композитных проволок, что приведет к общему нагреву поверхности провода и, следовательно, к исключению налипания гололеда на проводе и исключению «пляски» проводов.
Аналогичный расчет выполнен для провода АССС130 с повивом алюминиевых проволок. Удельные сопротивления равны:
2
A
ф
Провод марки АССС130 (наиболее часто применяемый для ВЛ напряжением 110 кВ) в соответствии с ГОСТ 839-80Е «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач. Технические условия» имеет сечение алюминиевой части 130 мм. Отсюда, зная значения ρ для алюминия и ферромагнитных проволок, находим значения R и R:
, отсюда находим:
, т.е. в проводе АССС130 сопротивление ферромагнитных проволок больше сопротивления алюминиевых проволок в 8,1 раза.
Из приведенного расчета видно, что электрическое сопротивление ферромагнитных проволок значительно выше (больше на порядок), чем сопротивление алюминиевой части провода. Следовательно, нагрев ферромагнитных проволок будет происходить при протекании тока нагрузки значительно сильнее алюминиевых проволок, что приведет к общему нагреву поверхности провода и, следовательно, к исключению налипания гололеда на проводе.
Профилактические токи, препятствующие образованию гололеда близки или равны токам нагрузки.
Второй эффект - ферромагнитный с низкой температурой точки Кюри. Благодаря успехам металлургии созданы новые порошковые ферромагнитные материалы, наносимые на поверхности проводов методом БПН - безвакуумного плазменного напыления [Костюшко В.А., Тимашева Л.В. и др. «Снижение потерь мощности на корону ВЛ», Энергия единой сети №4(27), август-сентябрь 2016 г. ]. Физическая сущность точки Кюри у ферромагнитных материалов заключается в том, что при повышении температуры выше 0°С материал превращается в парамагнетик и тепло на проводе не выделяется, при снижении температуры ниже 0°С материал превращается в ферромагнетик. Так как площадь петли гистерезиса у ферромагнетика значительно выше, чем у парамагнетика, в покрытии выделяется тепло, препятствуя образованию гололеда. Таким образом, нагрев у таких проводов в зависимости от температуры автоматически включается и выключается без участия персонала и какой -либо аппаратуры.
Третий эффект обусловлен термической закалкой отдельными участками встроенных ферромагнитных проволок. Возникающие под действием ветра бегущие и отраженные волны, обуславливающие устойчивую «пляску» и вибрацию проводов, в местах перехода на участках большей жесткости (термозакаленные участки проволок) с соседними участками меньшей жесткости (незакаленные участки проволок) изначально демпфируются, точнее гасятся, и провод не подвергается «пляске» и вибрации. Таким образом, в таком проводе изгибная и крутильная жесткость разная по длине, т.е. модуль упругости Е, умноженный на момент инерции I, величина непостоянная. Термическая закалка проволок выполняется общеизвестным способом закалки токами высокой частоты с помощью индуктора. По испытаниям в климатической камере в НТЦ ФСК ЕЭС [Костюшко В.А., Тимашева Л.В. и др. «Снижение потерь мощности на корону ВЛ», Энергия единой сети, №4(27), август-сентябрь 2016 г.] проводов, покрытых полностью ферромагнитными порошками в отличие от более простой конструкции заявляемой данной разработки доказана эффективность ферромагнитных проводов, а именно:
1. на проводах не образуется гололед;
2. потери энергии в 2 раза меньше стандартных проводов;
3. значительно улучшается эффект адгезии, т.е. слабое сцепление водяных частиц с поверхностью провода, коэффициент гладкости возрастает до 0,95-0,98;
4. дополнительно создается эффект гидрофобности и гидрофильности, при этом покрытие никогда не смывается от атмосферных осадков;
5. значительно снижаются потери мощности на корону.
Заявляемый провод имеет следующие преимущества:
- Безгололедный провод позволяет изначально предотвратить гололедные отложения, «пляску» и вибрацию проводов, что значительно повышает надежность работы линий электропередач и обеспечивает надежность энергоснабжения потребителей при любых климатических аномалиях.
- Предотвращение обледенения проводов осуществляется рабочими нагрузочными токами без отключения энергоснабжения потребителей.
- В эксплуатационных условиях при применении заявляемого провода не требуются установки плавки гололеда, проведение самих плавок, оборудование ВЛ гасителями «пляски» и вибрации, что позволяет сэкономить значительные капитальные затраты.
- Благодаря эффекту Кюри, предотвращение гололеда на проводах ВЛ осуществляется автоматически без участия персонала и установки какой-либо аппаратуры.
- Заводская технология производства проводов не изменяется: только в несколько другом порядке устанавливаются исходные барабаны с проволоками. Ферромагнитные проволоки поставляются готовыми.
Литература
заявки на полезную модель «Безгололедный провод ВЛ»
1. Зуев Э.Д. «О классификации инновационных конструкций проводов воздушных ЛЭП», жур. «Кабель-NEWS» №3, 2013 г., с. 18-23.
2. Бошнякович А.Д. «Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи», М.-Л., 1962 г.
3. Каталог проводов нового поколения для ВЛ фирмы ООО «Ламифил» апрель, 2018 г.
4. Макаров Е.Ф., Справочник по электрическим сетям 0,4 -35-110 кВ, Том 1. М., Папирус ПРО, 1999 г.
5. Костюшко В.А., Тимашева Л.В. и др. «Снижение потерь мощности на корону на ВЛ», Энергия единой сети, №4(27), август-сентябрь 2016 г.