Электрический проводник
ELECTRICAL CONDUCTOR

Техническое решение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных проводов и тросов для воздушных линий электропередачи и линиях электрифицированного транспорта, усиливающих, питающих и отсасывающих линий.
Известен электрический проводник, из непрерывно армированного металлического проводникового материала, в котором армирующий элемент выполнен в виде сердечника из непрерывно армированной металлической матрицы (алюминия или его сплавов) содержанием 8-55 мас.% и предварительно металлизированных углеродных волокон содержанием 45-92 мас.%, в качестве металлического проводникового материала (покрытия) используют медь, или алюминий, или сплавы меди, или сплавы алюминия (заявка РФ №2013126953 «Провод для воздушных линий электропередачи и способ его изготовления» с приоритетом от 14.06.2013).
Недостатками данного проводника являются невысокая эксплуатационная прочность и технологическая сложность. Недостатки данного проводника связаны с наличием оксидной алюминиевой пленки на поверхности сердечника, который расположен в центре проводника.
Коэффициент теплового расширения оксидной пленки почти в три раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве проводника и металла матрицы в оксидной пленке образуются трещины. При большом (более 80 мас.%) содержании армирующих волокон в матрице, волокна, расположенные близко к поверхности сердечника, первыми попадают в зону распространения трещин оксидной пленки, что приводит к их разрушению и все действующие статические и динамические нагрузки распределяются между оставшимися в целости волокнами внутри единственного армирующего элемента (сердечника), которые не могут во время эксплуатации длительно и без разрушения выдерживать такие нагрузки и также начинают разрушаться, то есть происходит постепенное уменьшение прочностных свойств сердечника и проводника в целом, что приводит к преждевременной замене проводов, выполненных с использованием данного проводника.
Оксидная пленка на поверхности сердечника является барьерным слоем, препятствующим диффузионному взаимодействию металлического проводникового материала и металла сердечника. Слабая адгезия между этими металлами в процессе эксплуатации может привести к отслоению токопроводящего покрытия от поверхности армирующего элемента, что является недопустимым, так как исключает работу проводника, а значит и провода в целом, как целостной взаимосвязанной системы с гарантированным требуемым уровнем работоспособности.
Удаление оксидной пленки с поверхности алюминия механическим путем практически невозможно, так как мгновенно после удаления пленки чистый металл вновь покрывается новой оксидной пленкой, поэтому для удаления оксидной пленки с поверхности сердечника используют травление в растворах кислот или щелочей с последующей тщательной промывкой с применением нейтрализующих растворов, что усложняет технологический процесс и, следовательно, увеличивает стоимость проводника.
Также известен электрический проводник, описанный в патенте РФ №86345 «Проволока с упрочняющим сердечником» с приоритетом от 10.04.2009 и выбранный в качестве прототипа.
Данный проводник из непрерывно армированного металлического проводникового материала, содержит армирующий элемент, выполненный в виде сердечника из плотно упакованных высокопрочных волокон с низкой плотностью, на поверхность сердечника нанесено покрытие из эпоксидной смолы (без отвердителя) - 0,7-2,0 мас.%, а в качестве металлического проводникового материала (покрытия) используют медь, и/или алюминий, или сталь, или их сплавы с другими веществами.
Волокна расположены вдоль сердечника, что совпадает с направлением главных механических напряжений, действующих на провод в условиях эксплуатации.
Данный проводник технологически прост, но при этом, не смотря на использование в качестве сердечника высокопрочных волокон, эксплуатационная прочность проводника невелика. Это связано с тем, что волокна в сердечнике связаны между собой только с помощью скрутки, а покрытие из эпоксидной смолы нанесено только на поверхность сердечника и играет роль защитного покрытия для исключения повреждения и разрушения при формировании сердечника. В таком сердечнике, являющимся единственным армирующим элементом с достаточно большим сечением, при эксплуатации не обеспечено равномерное распределение статических и динамических нагрузок между волокнами на всю глубину сечения сердечника, что приводит к постепенному разрушению наиболее нагруженных волокон и происходит снижение прочностных свойств сердечника и проводника в целом, что требует преждевременной замены проводов, изготовленных с использованием данного проводника.
Кроме того, начавшийся необратимый процесс разрушения волокон приводит к уменьшению сечения армирующего элемента и, как следствие, к отслоению токопроводящего покрытия от поверхности армирующего элемента. При динамических нагрузках в процессе эксплуатации на участке отслоения между токопроводящим покрытием и поверхностью армирующего элемента действуют силы трения, что ускоряет процесс разрушения волокон.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание электрического проводника с повышенной эксплуатационной прочностью.
Решением данной задачи является электрический проводник из непрерывно армированного металлического проводникового материала, новым в которой является то, что армирующие элементы распределены по сечению проводника и выполнены из комплексных нитей высокопрочных волокон с низкой плотностью.
Комплексная нить сформирована скрученными или без крутки элементарными волокнами.
В качестве высокопрочных волокон с низкой плотностью использованы базальтовые, углеродные или пара-арамидные волокна.
Суммарное сечение армирующих элементов составляет 8-80% от сечения проводника.
Минимальное расстояние от поверхности проводника до армирующих элементов составляет не менее 5% от диаметра проводника.
В качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы с другими веществами.
Распределение армирующих элементов по сечению проводника позволяет при эксплуатации перейти от сосредоточенной нагрузки в центре проводника к равномерно распределенной нагрузке между армирующими элементами, каждый из которых выполнен в виде отдельного длинномерного элемента из комплексных нитей высокопрочных волокон с низкой плотностью.
Комплексная нить - нить из элементарных нитей (филаментов), сложенных без крутки (пучок) либо соединенных скручиванием (шнур, трос, канат).
Так как все армирующие элементы отделены друг от друга токопроводящим материалом, то повреждение или разрушение одного из армирующих элементов влечет за собой только перераспределение нагрузки на остальные армирующие элементы, но не вовлекает их в процесс разрушения, и при этом провод, изготовленный с использованием данного проводника, остается в рабочем состоянии, вплоть до полного разрушения всех армирующих элементов, то есть увеличивается ресурс работы проводника и провода в целом.
Суммарное сечение армирующих элементов составляет 8-80% от сечения проводника, то есть сечение каждого из армирующих элементов невелико, что позволяет обеспечить равное напряжение всех волокон армирующего элемента на всю его глубину, исключая перенапряжение одних волокон и недогруженность других волокон, что позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики волокон и увеличить ресурс работы каждого армирующего элемента.
Выбор суммарного сечения армирующих элементов осуществляется исходя из условий эксплуатации провода и требований, предъявляемых к характеристикам провода. Так для использовании провода на участках со сложным рельефом (реки, горы и т.п.) предъявляются высокие требования к прочностным характеристикам провода, для удовлетворения которых выбирают армирующие элементы с суммарным сечением 50-80% от сечения проводника. При использовании провода на участках, где требуется высокая пропускная способность, выбирают армирующие элементы с суммарным сечением 8-20% от сечения проводника. Для всех остальных случаев используют армирующие элементы с суммарным сечением 21-49% от сечения проводника.
В качестве высокопрочных волокон с низкой плотностью наиболее перспективным является использование базальтовых волокон, которые имеют низкую стоимость и характеристики которых удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к армирующим элементам. Углеродные волокна при всех своих достоинствах весьма хрупки и могут подвергаться повреждениям и разрушению при формирования армирующих элементов и требуют соответствующей подготовки, что усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость проводника. Высокая стоимость пара-арамидных волокон ограничивает их применение особо ответственными участками электрических сетей.
Для обеспечения заданных механических характеристик армирующего элемента могут применяться волокна одного вида или сочетание нескольких видов волокон. Так, например, для армирующего элемента, выполненного из пара-арамидного волокна, вторым компонентом может являться углеродное волокно, необходимое для повышения прочности армирующего элемента в поперечном направлении, что важно при воздействии на провод вертикальной нагрузки от гололеда и горизонтальной - от ветра. Таким образом, изменяя качественный состав волокон, можно целенаправленно влиять на требуемые характеристики армирующего элемента и провода в целом.
Армирующие элементы, в которых комплексная нить сформирована из элементарных нитей, сложенных без крутки (пучок), используют на малонагруженных участках сети, где нагрев провода не превышает 70-90°. На участках сети с большим потреблением электроэнергии, в которых нагрев провода превышает 90°, используют армирующие элементы, в которых комплексная нить сформирована из элементарных нитей, соединенных скручиванием в виде шнура, троса, каната. Это объясняется тем, что при нагреве проводника выше 90° происходит значительное удлинение проводникового материала, а используемые высокопрочные волокна имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения, что может привести к разрыву волокон. Использование скрученных нитей позволяет увеличить упругие свойства армирующего элемента и тем самым сохранить его целостность.
Минимальное расстояние от поверхности проводника до армирующих элементов не менее 5% от диаметра проводника исключает повреждение волокон при возникновении трещин в алюминиевой оксидной пленки на поверхности проводника.
В качестве металлического проводникового материала в заявляемом проводнике преимущественно используются медь, и/или алюминий, или их сплавы с другими веществами. При этом для проводов воздушных линий электропередач используют алюминий или сплав марки ABE (ГОСТ 839-80) как легкие и дешевые материалы с хорошей электропроводимостью; в линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих тросов, усиливающих, питающих и отсасывающих линий используют медь или бронзу, как материалы с повышенной электропроводимостью. Для дополнительного увеличения на 5-15% допустимой пропускной способности алюминиевого проводника на его поверхность накладывают слой медного покрытия, площадь сечения которого соответственно равна 10-30% от общей площади сечения проводника, при этом площадь сечения проводника не увеличивается. При этом вес проводника увеличивается на 20-60%, что является допустимым в заявляемом проводнике благодаря высоким прочностным свойствам армирующих элементов и схеме их распределения по сечению проводника.
В заявляемом проводнике все расчеты и выбор схемы армирования производятся по авторской методике, а изготавливается проводник на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы авторов, и в данной заявке не рассматривается.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 и 2 представлен заявляемый проводник с различными схемами армирования, на фиг. 3 - проводник с покрытием из металлического проводникового материала, на фиг. 4 - пример выполнения электрического провода из заявляемых проводников.
Проводник 1 из металлического проводникового материала 2, непрерывно армированного элементами 3, распределенными по сечению проводника 1. Армирующие элементы 3 выполнены из комплексных нитей базальтовых, углеродных или пара-арамидных волокон.
Комплексная нить сформирована скрученными или без крутки элементарными волокнами.
Суммарное сечение армирующих элементов 3 составляет 8-80% от сечения проводника 1.
Минимальное расстояние b от поверхности проводника 1 до армирующих элементов 3 составляет не менее 5% от диаметра проводника 1.
В качестве металлического проводникового материала 2 преимущественно использованы медь, алюминий, их сплавы с другими веществами. На поверхность проводника 1, выполненного из алюминия или его сплава, может быть нанесено покрытие 4 из меди.
Для изготовления проводника 1 предварительно рассчитывают суммарное сечение элементов 3 исходя из условий эксплуатации, выбранных волокон и типа комплексной нити (скрученная или без крутки). После этого разрабатывают схему армирования проводникового материала 2. Проводник 1 получают путем совместной деформации проводникового материала 2 и армирующих элементов 3, расположенных по выбранной схеме.
Затем из полученных проводников 1 методом скрутки изготавливают провода, которые используют по назначению. Приведенный на фиг. 4 пример является не единственной конструкцией таких проводов.
В электрическом проводе, выполненном из заявляемых проводников 1, в процессе эксплуатации действующие нагрузки равномерно распределяются между всеми армирующими элементами 3, а проводниковый материал 2 и покрытие 4 обеспечивают электрическую проводимость каждого проводника 1 провода.
Кроме того, при наличии покрытия 4 из меди обеспечиваются хорошие контактные свойства проводника 1 (проводов), необходимые для соединения с выводами электротехнических устройств и соединения проводников (проводов) между собой.