ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ ПРОВОД С НЕСУЩИМ КОМПОЗИЦИОННЫМ СЕРДЕЧНИКОМ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРДАЧИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к конструкции проводов сверхдальних, магистральных, распределительных воздушных линий электропередачи и электрических сетей.
Повышение пропускной способности (пиковых мощностей) воздушных линий электропередачи (ВЛ) является в настоящее время актуальной технической задачей.
Реальной возможностью повышение пропускной способности (пиковых мощностей) ВЛ при минимальных затратах является повышение токовой нагрузки. Данный способ решения проблемы экономически обоснован, так как, несмотря на значительные омические потери электроэнергии за счет тепловой диссипации, не требует строительства новых линий или замены проводов и, соответственно опор.
Повышение токовой нагрузки приводит в условиях эксплуатации к разогреву провода. Применяемые в настоящее время неизолированные стелеалюминиевые провода в воздушных линиях электропередачи (см. например, патент РФ №2063080) свидетельствуют, что сталеалюминиевые провода АС имеют предел длительной эксплуатации 90ºС. Данные провода сконструированы таким образом, чтобы в условиях эксплуатации механическая нагрузка в них равномерно распределялась между токоведущим алюминиевым повивом и стальным несущим сердечником. При температуре 100-110ºС токоведущий повив провода АС начинает отжигаться, теряет прочность и провод разрушается или величина его провиса становится больше допустимой величины, определенной правилами безопасной эксплуатации высоковольтных линий. Значимого повышения пропускной способности ВЛ в случае повышения токовой нагрузки при использовании провода АС добиться невозможно.
Практика работы ведущих электросетевых компаний свидетельствует, что перспективным направлением в решении проблемы повышения пропускной способности ВЛ является разработка новых конструкционных материалов для проводов и сердечников линий электропередач, способных длительно эксплуатироваться при температурах 100-300ºС.
Известные в настоящее время высокотемпературные алюминиевые неизолированные провода конструктивно состоят из несущего сердечника и скрученных токопроводящих жил, изготовленных из теплостойкого алюминий-циркониевого сплава или отожженного сплава 1350, аналогичного по составу отечественным сплавам А5Е, А7Е. Выбор марки алюминиевого сплава токопроводящих жил осуществляется исходя из физико-механических характеристик несущего сердечника. В случае если физико-механические характеристики сердечника близки к показателям углеродистых сталей, используют повив, выполненный из алюминий-циркониевого сплава. При применении усиленных, с точки зрения физико-механических показателей, сердечников, допускается использование отожженных алюминиевых сплавов технической чистоты, имеющих более высокую, по сравнению с алюминий-циркониевыми сплавами проводимость.
В первом случае механическая нагрузка на провод в условиях эксплуатации равномерно распределяется между алюминиевым повивом и несущим сердечником. При применении в высокотемпературных алюминиевых неизолированных проводах для изготовления токопроводящего повива отожженного алюминия технической чистоты, вся механическая нагрузка провода в условиях эксплуатации воспринимается несущим сердечником.
Заявитель проанализировал характеристики и параметры известных и применяемых в настоящее время отечественных и зарубежных конструкционных материалов проводов для воздушных линий электропередачи. Проведенный анализ показал следующее.
Известен провод типа GTACSR (Новости электротехники 5(35) 2005), в котором алюминиевые проводники из алюминий-циркониевого сплава внутреннего слоя, ближайшего к сердечнику, имеют трапецеидальное сечение. Внутренний слой изготовлен таким образом, что между ним и стальным сердечником есть зазор, заполненный смазкой, стойкой к воздействию температуры. Такая конструкция обеспечивает скольжение алюминиевых слоев относительно стального сердечника, за счет чего GTACSR провод можно натянуть, только зафиксировав стальной сердечник и исключив механическое натяжение алюминиевого слоя. Это решение гарантирует малое (определяемое только линейным коэффициентом расширения стали) удлинение (провисание) провода вследствие роста температуры. Соответственно GTACSR провода увеличивают передаваемые мощности. С другой стороны, для этих конструкций необходима специальная процедура натяжения провода, более сложная по сравнению с натяжением обычных сталеалюминиевых проводов. Основное различие между технологиями монтажа GTACSR и обычных проводов заключается в монтаже зажимов. В случае применения GTACSR провода алюминиевые слои должны быть расплетены для крепления провода на анкерных опорах. После крепления и натяжения провод оставляют на 24 часа для выравнивания (скольжением) проводящих слоев относительно натянутого стального сердечника, затем провод подтягивают.
Максимальная рабочая температура GTACSR проводов составляет 150ºС. При такой температуре передаваемая мощность может быть увеличена в 2 раза.
Для провода типа ZTACIR (Новости электротехники 5(35) 2005) с усиленным сердечником из сталеникелевого сплава INVAR допустимая температура достигает 210ºС, а передаваемая мощность в 2,5-3 раза выше, чем на линиях с обычными сталеалюминиевыми проводами при той же конструкции опор (высоте, точке подвеса). Однако стоимость проводов типа ZTACIR на сегодняшний день в 5 раз превышает стоимость обычного провода, a GTACSR провод дороже обычного провода в 2,5 раза.
Аналогичные конструкции имеют провода типа Т ACSR, GAP, ACSS, TAI (Новости электротехники 5 (47) 2007). Данные провода обеспечивают увеличение пропускной способности ЛЭП. Однако большой вес и стоимость делают перспективы их практического применения малопривлекательными.
Известен алюминиевый провод с композиционным сердечником (заявка РСТ WO №2005/040017, В 65Н) от компании Composite Technology Corp.(СТС).
Алюминиевый провод АССС от компании СТС имеет несущий сердечник, представляющий собой эпоксидную матрицу, армированную углеродными и стеклянными волокнами. Технология изготовления такого повода предусматривает, что во время процесса пултрузии непрерывное однонаправленное углеродное волокно формирует цельный сердечник цилиндрической формы, в то время как слой волокон из Е-стекла такой же ориентации укладывают вокруг наружной оболочки. Углеродные и стеклянные волокна пропитывают высокотемпературной эпоксидной смолой.
Слой стеклопластика решает следующие технические задачи:
- он отделяет углеволокно от проводящего алюминиевого токоведущего повива для предотвращения контактной коррозии;
- он «уравновешивает» более хрупкое углеродное волокно и улучшает гибкость сердечника.
Легкий электропроводящий кабель АССС от Composite Technology Corp.содержит, полученный пултрузией цельный структурный сердечник из эпоксидной матрицы, усиленной углеродными и стеклянными волокнами, покрытый проводящим отожженным алюминиевым проводом. Для получения цельного сердечника в виде стержня мокрый пучок волокон проводят через стальную фильеру и отверждают при 260ºС.
Защитное наружное покрытие наносят и отверждают на линии производства. Стержень режется на нужную заказчику длину. Сердечники имеют диаметры от 12.7 мм до 69.85 мм, что дает плотность тока от 300 А до 3500 А на линию. В результате проводниковая система АССС может непрерывно работать при 180ºС и может выдерживать кратковременные скачки до 200ºС, с всего лишь 10%-м провисанием от величины провисания провода со стальным сердечником.
Алюминиевый повив провода АССС выполнен из скрученных токопроводящих жил, изготовленных из теплостойкого алюминий-циркониевого сплава или отожженного сплава 1350, аналогичного по составу отечественным сплавам А5Е, А7Е.
Конструктивной и технологической особенностью сердечника провода АССС от компании СТС является то, что в его составе используют два и более высокопрочных, непрерывно армирующих сердечник волокна: стеклянное и углеродное волокно.
Данное обстоятельство заметно усложняет технологию производства такого сердечника и провода на его основе.
Известны конструктивные варианты высокотемпературных проводов для линий электропередачи (патент РФ №2386183, Н01В 5/08), реализованные на основе запатентованных модификаций композиционного несущего сердечника. Конструкции высокотемпературных проводов, приведенные в патенте РФ №2386183, наиболее близкие по технической сущности к патентуемой полезной модели и выбраны в качестве прототипа.
Провода для линий электропередачи, изготовленные на основе запатентованного несущего композиционного сердечника (патент РФ №2386183) имеют сердечник одно или многожильной конструкции.
Конструктивно сердечник представляет собой длинномерный стержень или скрученные длинномерные стержни из высокопрочного теплостойкого непрерывно армированного композиционного материала, имеющего предел прочности при разрыве не менее 1 ГПа, состоящего из высокопрочного армирующего волокна одного состава со степенью наполнения 30-85 мас.% и термореактивного теплостойкого полимерного связующего содержанием 15-70 мас.%.
Формование профиля несущего сердечника в виде длинномерного стержня осуществляют методом пултрузии. Предусмотрена возможность нанесения на сердечник наружного защитного покрытия в виде защитной лакотканевой оболочки.
Формование профиля несущего сердечника осуществляют также непосредственно в защитной наружной металлической оболочке. В этом случае, жгут армирующего волокна, пропитанного термореактивным теплостойким связующим, размещают на движущуюся алюминиевую ленту, которую свертывают вместе с пропитанным волокном в цилиндр в формообразующем устройстве.
Существенными недостатками проводов для линий электропередачи, изготовленных на основе несущего композиционного сердечника по технологии, приведенной в патенте РФ №2386183), являются:
- высокий процент брака и невысокая производительность изготовления проводов с сердечником многожильной конструкции, имеющего жилы диаметром 0,5-3 мм;
- необходимость использования дорогостоящих многоручеестых фильер и средств автоматизации процесса для обеспечения приемлемой производительности процесса;
- относительно невысокая устойчивость провода к воздействию внешних активных факторов окружающей среды, таких как ветровая нагрузка, гололедо-изморозевые образования, удары молнии, обусловленная низкой компактностью токопроводящей жилы, изготовленной из скрученных алюминиевых проволок круглой формы без уплотнения.
- низкая эффективность металлической защитной оболочки сердечника провода в случае ее раскрытия в условиях эксплуатации для предотвращения термоокислительной деструкции сердечника.
- невысокая производительность нанесения лакотканевой защитной оболочки сердечника провода.
- отсутствие в составе лакотканевой защитной оболочки и полимерной матрицы сердечника антипирренов, что обуславливает возможность возгорания провода в случае пиковых нагрузок или короткого замыкания. Данный недостаток ограничивает число теплостойких полимерных композиций пригодных для использования в данных элементах провода.
Провода с гибким многожильным сердечником, имеющим диаметр жил 0,5-3 мм, при изготовлении, транспортировке, подвесе провода и его последующей эксплуатации, более предпочтительны по сравнению с проводами с жестким одножильным сердечником.
Практика изготовления многожильных сердечников показывают, что возможности метода пултрузии при изготовлении длинномерных стержней малого диаметра, реализованные в патенте РФ №2386183, ограничены.
Возникающие в фильере в процессе формования значительные силы граничного трения могут превысить прочность формуемой жилы, что приводит к многочисленным обрывам. Для предотвращения этого приходится резко снижать скорость формования, использовать дорогостоящие многоручеестые фильеры, точно настраивать и жестко контролировать технологические параметры процесса. При этом любое случайное изменение параметра (например, скачок температуры на несколько градусов), приводит к обрыву формуемой жилы. Учитывая, что строительная длина алюминиевых неизолированных проводов составляет 3 км, высокий проценту брака при промышленном производстве неизбежен.
Кроме того, большие (относительно прочности жгута) усилия необходимые для преодоления сил трения при протягивании формуемого жгута через фильеру вызывают разрушение поверхности как жгута, так фильеры и соответственно приводят к ухудшению качества проводов, а также преждевременному износу фильеры. При повышении диаметра формуемого стержня данные недостатки устраняются и при диаметре жилы 8 мм и более становятся несущественными. Однако изготовить гибкий сердечник из жил большого диаметра невозможно.
Следует отметить, что технология формования жил в металлической оболочке (патент РФ №2386183) также имеет определенные недостатки.
При затягивании смоченного пучка волокон в формующее устройство одновременно с металлической лентой может происходить: деформация ленты, приводящая к образованию на выходе складки или задира ленты, выдавливание связующего и армирующего волокна через щель не полностью сомкнувшейся металлической ленты. В результате данных процессов по длине отформованной жилы имеют место многочисленные дефекты.
Контроль подобных негативных последствий формования жил в металлической оболочке крайне затруднен, особенно при изготовлении жил малого диаметра. Гибкость жил, полученных методом формования в металлической оболочке, ограничена возможностью раскрытия этой оболочки при малых радиусах изгиба. В связи с этим при скрутке многожильного сердечника требуется дорогостоящее оборудование, использующее для открутки катушки большого диаметра. Раскрытие металлической оболочки жил сердечника, имеющей отличные от композиционной части теплофизические и физико-механические свойства может произойти и в процессе эксплуатации провода под действием внешних факторов (ветровая нагрузка, пляска провода, гололед, температурный нагрев), что приведет в конечном итоге к разрушению всего провода.
Настоящая полезная модель решает задачу:
- повышения устойчивости высокотемпературных проводов воздушных линий электропередачи с композиционным несущим сердечником к знакопеременным нагрузкам, вибрации, изгибу, кручению;
- повышения надежности проводов воздушных линий электропередачи при их безопасной эксплуатации при температурах 100-300ºС;
- увеличения пропускной способности воздушных линий электропередачи;
- изготовления высокотемпературных проводов линий электропередачи, конструкция и прочностные параметры, которых позволяют уменьшить провис проводов высоковольтных линий электропередачи и снизить нагрузки на опоры ВЛ.
- уменьшения технологического брака при изготовлении высокотемпературных проводов высоковольтных линий электропередачи.
Решение поставленной технической задачи достигается следующим образом.
Патентуемая полезная модель предусматривает возможность решения поставленной технической задачи в различных вариантах конструктивной реализации разработанного провода для воздушных линий электропередачи.
Вариант 1 и 2.
Провод для воздушных линий электропередачи, аналогичный, описанному в патенте РФ №2386183, содержащий композиционный несущий сердечник и многопроволочную токопроводящую жилу, согласно патентуемой полезной модели, композиционный несущий сердечник выполнен в виде одножильной конструкции и содержит на поверхности упрочняющий спиральный каркас.
Упрочняющий каркас выполнен путем однозаходной или многозаходной или однорядной или многорядной или перекрестной встречной спиральной намотки термостойкой нити с зазором или встык, или с перекрытием, а многопроволочная токопроводящая жила выполнена из теплостойкого алюминиевого сплава, имеющего предел длительной эксплуатации до 300ºС.
Согласно полезной модели, токопроводящая жила выполнена, например, из теплостойкого алюминий-циркониевого сплава или предварительно отожженного алюминия А5Е, А7Е.
Предусмотрено, что композиционный несущий сердечник одножильной конструкции выполнен в виде длинномерного стержня диаметром от 3 до 70 мм, а упрочняющий спиральный каркас композиционного несущего сердечника выполнен из термостойкой арамидной нити линейной плотностью от 6,3 до 120 текс, или углеродной, полиэфирной, полиимидной, стеклянной, базальтовой нити или ровинга линейной плотностью до 1200 текс, имеющие предел прочности до 8 ГПа и способные длительно эксплуатироваться при температуре до 300ºС.
Согласно полезной модели композиционный несущий сердечник выполнен из высокопрочного армирующего волокна одного состава и термореактивного теплостойкого полимерного связующего, степень наполнения полимерной теплостойкой матрицы армирующими волокнами составляет 30-95 мас.%, а содержание термореактивного теплостойкого полимерного связующего 5-70 мас.%.
Композиционный несущий сердечник содержит в качестве армирующего волокна соответственно стеклянные, углеродные, арамидные, полиимидные, керамические, базальтовые, борные волокна.
Предусмотрено, что полимерная матрица композиционного несущего сердечника содержит в качестве термореактивного теплостойкого связующего соответственно эпоксидную композицию с температурой стеклования 150-350ºС, или термореактивные связующие на основе кремнеорганических, полиимидных, эпоксидных полиэфирных, фенол-формальдегидных смол и дигидрофосфатных, полициануратных, карборансодержащих связующих, их производных и сополимеров, имеющие предел длительной эксплуатации до 350ºС.
При использовании в качестве материала токопроводящих жил алюминий-циркониевого сплава, имеющего предел прочности при температурах эксплуатации 160 МПа и выше, отношение сечения токопроводящей части провода к сечению композиционного несущего сердечника составляет 2,5-20,0.
При использовании в качестве материала токопроводящих жил предварительно отожженного алюминия А5Е, А7Е, отношение сечения токопроводящей части провода к сечению композиционного сердечника составляет 1,5-16,0.
Согласно полезной модели многопроволочная токопроводящая жила выполнена:
- из проволок круглой формы в виде одного или более повивов, скрученных вокруг несущего композиционного сердечника;
- из предварительно профилированных проволок трапецеидальной, клиновидной или Z-образной формы в виде одного или более повивов, скрученных вокруг несущего композиционного сердечника.
- между токопроводящим повивом провода и несущим композиционным сердечником выполнен зазор 0,1-4 мм или без зазора.
Отличительной особенностью патентуемой полезной модели (вариант 2) является то, что композиционный несущий сердечник содержит наружное защитное покрытие.
Предусмотрено, что защитное покрытие композиционного несущего сердечника:
- выполнено на основе композиции фторопластов, способных длительно эксплуатироваться при температурах 150-250ºС или термо- теплостойких композиций на основе, полиимидов, кремнийорганических полимеров, полиамидов, полифениленов, полигетероариленов, полиэфиров, полиэпоксидов, органосиликатов, их сополимеров и производных, имеющих предел длительной эксплуатации до 350ºС.
- содержит антиоксиданты фенольного, аминного, фосфитного типа или их синергические смеси в количестве от 0,5 до 20% мае. и антипирены, в качестве которых используют бром-, хлор-, фосфорсодержащие органические соединения, гидрооксиды магния алюминия, полифосфат аммония, триоксид сурьмы, в количестве 5-70% мае, остальное компоненты теплостойких композиций материала защитного покрытия.
Вариант 3 и 4.
Провод для воздушных линий электропередачи, аналогичный описанному в патенте РФ №2386183, содержащий композиционный несущий сердечник и многопроволочную токопроводящую жилу, согласно патентуемой полезной модели, композиционный несущий сердечник выполнен в виде многожильной конструкции, из скрученных длинномерных стержней, каждая жила которого, содержит на поверхности упрочняющий спиральный каркас.
Упрочняющий каркас выполнен путем однозаходной или многозаходной или однорядной или многорядной или перекрестной встречной спиральной намотки термостойкой нити с зазором или встык, или с перекрытием, а многопроволочная токопроводящая жила выполнена из теплостойкого алюминиевого сплава, имеющего предел длительной эксплуатации до 300ºС.
Композиционный несущий сердечник многожильной конструкции выполнен в виде скрученных длинномерных стержней диаметром от 0,5 до 10 мм.
Предусмотрено, что упрочняющий спиральный каркас единичной жилы многожильного композиционного несущего сердечника выполнен из термостойкой арамидной нити линейной плотностью от 6,3 до 120 текс, или углеродной, полиэфирной, полиимидной, стеклянной, базальтовой нити или ровинга линейной плотностью до 1200 текс, имеющие предел прочности до 8 ГПа и способные длительно эксплуатироваться при температуре до 300ºС.
Согласно полезной модели композиционный несущий сердечник:
- выполнен из высокопрочного армирующего волокна одного состава и термореактивного теплостойкого полимерного связующего, степень наполнения полимерной теплостойкой матрицы армирующими волокнами составляет 30-95 мас.%, а содержание термореактивного теплостойкого полимерного связующего 5-70 мас.%.;
-содержит в качестве армирующего волокна соответственно стеклянные, углеродные, арамидные, полиимидные, керамические, базальтовые, борные волокна.
- а полимерная матрица композиционного несущего сердечника содержит в качестве термореактивного теплостойкого связующего соответственно эпоксидную композицию с температурой стеклования 150-350ºС, или термореактивные связующие на основе кремнеорганических, полиимидных, эпоксидных полиэфирных, фенол-формальдегидных смол и дигидрофосфатных, полициануратных, карборансодержащих связующих, их производных и сополимеров, имеющие предел длительной эксплуатации до 350ºС.
Предусмотрено, что токопроводящая жила выполнена (аналогично варианту 1 и 2) из теплостойкого алюминий-циркониевого сплава или предварительно отожженного алюминия А5Е, А7Е.
При использовании в качестве материала токопроводящих жил алюминий-циркониевого сплава, имеющего предел прочности при температурах эксплуатации 160 МПа и выше, отношение сечения токопроводящей части провода к сечению композиционного несущего сердечника составляет 2,5-20,0.
При использовании в качестве материала токопроводящих жил предварительно отожженного алюминия А5Е, А7Е, отношение сечения токопроводящей части провода к сечению композиционного сердечника составляет 1,5-16,0.
Согласно патентуемой полезной модели многопроволочная токопроводящая жила выполнена:
- из проволок круглой формы в виде одного или более повивов, скрученных вокруг несущего композиционного сердечника.
- из предварительно профилированных проволок трапецеидальной, клиновидной или Z-образной формы в виде одного или более повивов, скрученных вокруг несущего композиционного сердечника.
- между токопроводящим повивом провода и несущим композиционным сердечником выполнен зазор 0,1-4 мм или без зазора.
Отличительной конструктивной особенностью патентуемой полезной модели (вариант 4) является то, что многожильный композиционный несущий сердечник содержит наружное защитное покрытие.
Предусмотрено, что защитное покрытие композиционного несущего сердечника:
- выполнено на основе композиции фторопластов, способных длительно эксплуатироваться при температурах 150-250ºС или термо- теплостойких композиций на основе, полиимидов, кремнийорганических полимеров, полиамидов, полифениленов, полигетероариленов, полиэфиров, полиэпоксидов, органосиликатов, их сополимеров и производных, имеющих предел длительной эксплуатации до 350ºС.
- содержит антиоксиданты фенольного, аминного, фосфитного типа или их синергические смеси в количестве от 0,5 до 20% мас. и антипирены, в качестве которых используют бром-, хлор-, фосфорсодержащие органические соединения, гидрооксиды магния алюминия, полифосфат аммония, триоксид сурьмы, в количестве 5-70% мае, остальное компоненты теплостойких композиций материала защитного покрытия.
Вариант 5.
Отличительной конструктивной особенностью патентуемой полезной модели (вариант 5) является то, что каждая жила несущего композиционного сердечника содержит наружное защитное покрытие.
Защитное покрытие единичной жилы многожильного композиционного несущего сердечника:
- выполнено на основе композиции фторопластов, способных длительно эксплуатироваться при температурах 150-250ºС или термо- теплостойких композиций на основе, полиимидов, кремнийорганических полимеров, полиамидов, полифениленов, полигетероариленов, полиэфиров, полиэпоксидов, органосиликатов, их сополимеров и производных, имеющих предел длительной эксплуатации до 350ºС.
- содержит антиоксиданты фенольного, аминного, фосфитного типа или их синергические смеси в количестве от 0,5 до 20% мае. и антипирены, в качестве которых используют бром-, хлор-, фосфорсодержащие органические соединения, гидрооксиды магния алюминия, полифосфат аммония, триоксид сурьмы, в количестве 5-70% мае, остальное компоненты теплостойких композиций материала защитного покрытия.
В целом же реализация полезной модели по 5 варианту аналогична конструктивному решению полезной модели по 3 варианту реализации.
Технический результат патентуемой полезной модели заключается в том, что разработанный провод:
- позволяет увеличить в 2-3 раза пропускную способность высоковольтных линий электропередачи;
- обеспечить минимальный провис воздушного провода линии электропередачи и снизить нагрузки на опоры ВЛ, увеличить сроки межремонтного периода, при этом патентуемый провод отличается повышенной устойчивостью к знакопеременным нагрузкам, вибрации, изгибу, кручению, гибкостью и возможностью скручивания;
- позволяет увеличить температуру эксплуатации линий электропередачи. Провода высоковольтных линий электропередачи с несущими композиционными сердечниками способны длительно эксплуатироваться при температуре 100-300ºС.
Сущность полезной модели поясняется нижеследующим описанием вариантов провода и графическими материалами, на которых представлены:
Фиг.1. - образец провода с композиционным сердечником одножильной конструкции;
Фиг.2 - образцы провода с неуплотненной, уплотненной токопроводящей жилой и с зазором между токопроводящей жилой и композиционным сердечником.
Фиг.3 - образец провода с композиционным сердечником одножильной конструкции с защитным наружным покрытием
Фиг.4 - образец провода с композиционным сердечником многожильной конструкции;
Фиг.5 - образец провода с композиционным сердечником многожильной конструкции с защитным наружным покрытием;
Фиг.6 - образец провода с композиционным сердечником многожильной конструкции с защитным покрытием каждой жилы.
Фиг.7 - схема технологической линии изготовления провода
Согласно патентуемой полезной модели конструкции проводов высоковольтных линий электропередачи могут быть реализованы в различных конечных вариантах.
Вариант 1.
Патентуемый провод высоковольтных линий электропередачи в простейшем базовом варианте (фиг.1) содержит одножильный композиционный сердечник 1, упрочняющий спиральный каркас 2 сердечника и многопроволочную токопроводящую жилу 3.
Несущий композиционный сердечник 1 выполнен в виде одножильной конструкции. По всей длине сердечника 1 сформирован упрочняющий спиральный каркас 2.
Упрочняющий спиральный каркас 2 получают в результате однозаходной спиральной намотки термостойкой нити на поверхность формуемого сердечника, или используют многозаходную, однорядную, многорядную, перекрестную встречную виды спиральной намотки с зазором, встык или с перекрытием (фиг.1). Для формирования упрочняющего спирального каркаса 2 сердечника 1 используют термостойкие высокопрочные нити, имеющие предел прочности до 8 ГПа.
Упрочняющий спиральный каркас, формируемый на стадии изготовления несущего композиционного сердечника, предназначен для повышения устойчивости сердечника и провода в целом к знакопеременным нагрузкам и вибрации за счет повышения жесткости сердечника при изгибе и кручении. Это существенным образом повышает стойкость провода к малоугловым деформациям в зажимах и соответственно безопасность его эксплуатации, особенно при возникновении «пляски» провода под действием ветровой нагрузки.
Для изготовления одножильного композиционного сердечника используют длинномерные стержни диаметром от 3 до 70 мм.
Для формирования композиционного сердечника 1 используют:
- высокопрочное армирующее волокно одного состава, степень наполнения полимерной теплостойкой матрицы армирующим волокном составляет 30-95 мас.%, а содержание термореактивного теплостойкого полимерного связующего 5-70 мас.%,
- в качестве армирующего волокна используют соответственно стеклянные, углеродные, арамидные, полиимидные, керамические, базальтовые, борные волокна.
Для формирования полимерной матрицы сердечника используют в качестве термореактивного связующего соответственно эпоксидную композицию с температурой стеклования 150-350ºС, или термореактивные связующие на основе кремнеорганических, полиимидных, эпоксидных полиэфирных, фенол-формальдегидных смол и дигидрофосфатных, полициануратных карборансодержащих связующих, их производных и сополимеров, имеющие предел длительной эксплуатации до 350ºС.
Многопроволочная токопроводящая жила 3 состоит из одного или более повивов скрученных вокруг композиционного сердечника проволок из теплостойкого алюминий-циркониевого сплава, или отожженного электротехнического алюминия А5Е, А7Е.
Патентуемая полезная модель предусматривает возможность использования как неуплотненной, скрученной из проволок круглой формы 4 (Фиг.2), так и уплотненной токопроводящей жилы провода. Уплотнение токопроводящей жилы провода проводят для снижения коэффициента аэродинамического сопротивления провода, повышения его компактности, достигая тем самым повышение устойчивости провода к воздействию внешних активных факторов окружающей среды, таких как ветровая нагрузка, гололедно-изморозевые образования, удары молнии. Уплотнение токопроводящей жилы провода осуществляется за счет скрутки предварительно профилированных проволок трапециидальной 5 (Фиг.2), клиновидной (на фигуре не показана) или Z-образной формы 6 (Фиг.2). Уплотненная токопроводящая жила может состоять из деформированных скрученных проволок 7 (Фиг.2) полученных после протягивания неуплотненного провода через фильеру (на фигуре не показана).
Согласно патентуемой модели при использовании в качестве материала токопроводящих жил алюминий-циркониевого сплава, имеющего предел прочности при температурах эксплуатации 160 МПа и выше, отношение сечения токопроводящей части провода к сечению композиционного сердечника составит 2,5-20,0. В этом случае механическая нагрузка на провод в условиях эксплуатации, равномерно будет распределяться между токопроводящей жилой и несущим сердечником.
При применении для изготовления токопроводящей жилы отожженного алюминия А5Е, А7Е, вся механическая нагрузка провода в условиях эксплуатации воспринимается несущим сердечником. При этом отношение сечения токопроводящей части провода к сечению композиционного сердечника составит 1,5-16,0.
Патентуемая модель предусматривает в конструкции провода наличие зазора 8 (Фиг.2) между несущим композиционным сердечником и внутренним ближайшим к сердечнику повивом токопроводящей жилы. Зазор 8 (Фиг.2) обеспечивает скольжение повивов токопроводящей жилы относительно композиционного сердечника при подвесе провода, что исключает механические нагрузки на алюминиевый токопроводящий повив в условиях эксплуатации. Провод с зазором, согласно патентуемой модели, подвешивается за несущий композиционный сердечник, воспринимающий в условиях эксплуатации всю механическую нагрузку. Данная конструкция провода определяет малое (определяемое только линейным коэффициентом расширения композиционного сердечника) удлинение (провисание) провода вследствие роста температуры.
Необходимо отметить, что существенным достоинством патентуемого высокотемпературного провода на основе несущего композиционного сердечника является возможность многовариантной реализации конструкции провода за счет использования широко спектра исходных компонентов для формирования композиционного материала. При этом предусмотрено, что степень наполнения армирующим волокном в композиционном сердечнике составляет 30-95 мас.%, а содержание теплостойкого связующего составляет 5-70 мас.%.
Патентуемая полезная модель предусматривает возможность использования для изготовления композиционного несущего сердечника следующих типов армирующих волокон:
- высокомодульные стеклянные волокна, имеющие предел прочности 2-5 ГПа и модуль упругости 40-120 ГПа. Степень наполнения армирующими стеклянными волокнами составляет 60-95 мас.%.
- углеродные арамидные, полиимидные, керамические, стеклянные, базальтовые, борные волокна, имеющие предел прочности 2-8 ГПа и модуль упругости 50-600 ГПа.
Согласно патентуемой полезной модели связующее представляет собой:
- теплостойкую эпоксидную композицию с температурой стеклования до 150-350ºС;
- термореактивные связующие на основе кремнеорганических, полиимидных, эпоксидных полиэфирных, фенол-формальдегидньгх смол и дигидрофосфатных, полициануратных, карборансодержащие связующих, их производных и сополимеров, имеющие предел длительной эксплуатации до 350ºС.
Значительным достоинством настоящей полезной модели является возможность использования для промышленного производства высокотемпературных проводов на основе композиционного сердечника широкого спектра алюминиевых сплавов, полимерных материалов и компонентов.
Известно, что несущий сердечник высоковольтного провода должен обладать высокими физико-механическими показателями, теплостойкостью и длительным сроком эксплуатации.
Механические показатели сердечника определяются свойствами армирующего волокна. Так:
- стеклянное волокно - прочное, низкомодульное, теплостойкое, дешевое, удовлетворительно хрупкое в зажимах, устойчивое к знакопеременным нагрузкам;
- углеродное волокно - прочное, высокомодульное, теплостойкое, дорогое, хрупкое;
- арамидное волокно - высокопрочное, среднемодульное, ограниченно теплостойкое, мало хрупкое, очень дорогое.
Таким образом, любой Производитель проводов для высоковольтных линий электропередачи имеет широкий выбор потенциальных марок армирующего волокна, что позволяет выбирать оптимальную конструктивную, технологическую и производственную стратегию.
Высокая технологическая эффективность патентуемой полезной модели и производства патентуемого провода для воздушных линий электропередачи обусловлена найденным оптимальным соотношением армирующего волокна и связующего.
Известно, что чем меньше в композиционном сердечнике армирующего волокна, тем меньше его прочностные показатели. Установлено, что при 30 мас.% содержания армирующего волокна самые прочные известные волокна, например арамидные волокна «Русар», обеспечивают прочность сердечника на уровне 1 ГПа, что позволяет использовать такие сердечника в выпускаемых проводах. Минимально допустимые прочностные показатели сердечника определяют нижний предел содержания армирующего волокна - 30 мас.% (остальное связующее).
Теплостойкость сердечника определяется свойствами связующего. Так,
- эпоксидные связующие характеризуются высокой адгезией, прочностью, низкой усадкой, ограниченной теплостойкостью, средней ценой,
- полиэфирные связующие характеризуются средними значениями по всем показателям, удовлетворительной теплостойкостью;
кремнеорганические связующие характеризуются невысокой адгезией и прочностью, низкой усадкой, высокой теплостойкостью и химической стойкостью, высокой ценой.
Заявителем указывается, что при содержании связующего меньше 5 мас.%. может быть нарушена целостность сердечника (не достигается пропитка всех волокон). Данные технологические аспекты ограничивают максимальное содержание армирующего волокна на уровне 95 мас.%, (остальное связующее).
Таким образом, в патентуемой полезной модели допустимый диапазон содержания армирующего волокна установлен на уровне 30-95 мас.%, а связующего на уровне 5-70 мас.%.
Необходимо отметить, что специалисты, работающие в области разработки композиционных материалов, располагают соответствующими знаниями о наличии многообразных полимерных и композиционных материалов для конечной реализации всех вариантов патентуемого состава сердечника, помимо тех полимерных материалов, что приведены в качестве возможных вариантов реализаций.
Конкретная техническая реализация и идентификация всех возможных исходных компонентов и связующих для производства высокотемпературного провода и композиционного сердечника не представляет труда для специалистов, поскольку вытекает из уровня техники на основе практических данных и включает в себя известные стандартные связующие и компоненты, зафиксированные в различных научно-технических изданиях и справочниках (см. например, «Энциклопедию полимеров» т.1, 2, 3), на основе которых может быть получено требуемое связующее, в силу чего более подробное раскрытие этих исходных компонентов и связующих нецелесообразно.
Вариант 2.
Значимым достоинством патентуемой полезной модели является возможность изготовления проводов на основе композиционного несущего сердечника одножильной и многожильной конструкции, как с внешним защитным покрытием, так и без защитного покрытия
Патентуемая полезная модель предусматривает возможность нанесения на композиционный сердечник 1 наружного защитного покрытия. В этом случае, патентуемый провод конструктивно содержит (фиг.3) одножильный композиционный сердечник 1, упрочняющий спиральный каркас 2 сердечника, токопроводящую жилу 3 и защитное покрытие 9 сердечника 1.
Согласно полезной модели в качестве материала защитного покрытия 9 используют композиции на основе фторопластов способные длительно эксплуатироваться при температурах 150-250ºС или термо-теплостойкие композиции на основе, полиимидов, кремнийорганических полимеров, полиамидов, полифениленов, полигетероариленов, полиэфиров, полиэпоксидов, органосиликатов, их сополимеров и производных, имеющие предел длительной эксплуатации до 350ºС.
Состав защитного покрытия 9 содержит антиоксиданты фенольного, аминного, фосфитного типа или их синергические смеси в количестве от 0,5 до 20% мас. и антипирены, в качестве которых используют бром-, хлор-, фосфорсодержащие органические соединения, гидрооксиды магния алюминия, полифосфат аммония, триоксид сурьмы, в количестве 5-70% мас, остальное компоненты теплостойких композиций материала защитного покрытия.
Наружное защитное покрытие предназначено для защиты материала композиционного сердечника от термоокислительной деструкции в условиях эксплуатации и снижения его горючести в случае пиковых нагрузок и коротких замыканий, что существенно расширяет спектр теплостойких полимерных композиций, пригодных для формирования матрицы композиционного сердечника.
Вариант 3.
Согласно патентуемой полезной модели несущий композиционный сердечник провода может быть выполнен в виде многожильной конструкции (Фиг.4). В данной модификации патентуемый провод содержит центральную жилу 10 многожильного сердечника 11, многопроволочную токопроводящую жилу 3. Предусмотрено, что центральная жила 10 и каждая жила многожильного сердечника 11 содержит упрочняющий спиральный каркас 2.
Вариант 4.
Согласно патентуемой полезной модели несущий композиционный сердечник провода может быть выполнен в виде многожильной конструкции (Фиг.5). В данной модификации патентуемый провод содержит центральную жилу 10 многожильного сердечника 11, защитное покрытие многожильного сердечника 9, многопроволочную токопроводящую жилу 3. Предусмотрено, что центральная жила 10 и каждая жила многожильного сердечника 11 содержит упрочняющий спиральный каркас 2.
Вариант 5.
Предусмотрен также вариант конструктивной реализации патентуемого повода, при котором:
- несущий композиционный сердечник содержит (фиг.6) центральную жилу 10, снабженную упрочняющим спиральным каркасом 2 с защитным покрытием 9;
- каждая жила многожильного несущего композиционного сердечника 6 содержит защитное покрытие 9, и упрочняющий спиральный каркас 2
- многопроволочную токопроводяшую жилу 3 в виде скрученных алюминиевых проволок.
Поясним технологию производства патентуемого провода на примере изготовления провода с одножильным композиционным сердечником, имеющим защитное покрытие (вариант 2 полезной модели).
Изготовление провода с композиционным сердечником одножильной конструкции осуществляют с помощью технологического оборудования, которое включает (фиг.7): шпулярник 12 с бобинами армирующего волокна, термопечь 13 для удаления избыточной влаги армирующего волокна, ванну пропитки 14, калибровочное отверстие 15, устройство спиральной намотки 16 термостойкой нити 17 на пучок смоченных армирующих волокон, термопечь 18 для отверждения связующего, экструдер для нанесения защитного покрытия 19, крутильную машину 20 скрутки проволок токопроводящей жилы вокруг композиционного сердечника и приемную катушку 21.
Для обеспечения высокого качества, высокой производительности изготовления патентуемого провода и композиционного сердечника, максимального уменьшения технологического брака предусмотрена возможность выравнивания формируемого жгута из армирующих волокон для предотвращения их обрыва и скручивания в процессе изготовления композиционого сердечника. Это обеспечивается использованием выравнивающего устройства 22 (фиг.7). Выравнивающее устройство 22 может быть выполнено, например, в виде пластины с отверстиями для каждой нити армирующего волокна, сматываемого с катушек шпулярника, расположенных горизонтально на одной линии.
Возможно другое конструктивное решение выравнивающего устройства, обеспечивающее плоскопараллельное движение нитей, препятствующее их обрыву и скручиванию, на последующих технологических стадиях изготовления сердечника.
При изготовлении провода и несущего композиционного сердечника предусмотрена возможность равномерного, постоянного натяжения каждой нити армирующего волокна в формуемом сердечнике с целью максимального использования механических свойств армирующих волокон в получаемом длинномерном композиционном стержне.
Для обеспечения равномерного постоянного натяжения при сматывании армирующих волокон на каждой катушки шпулярника 12 установлено натяжное устройство 23. Натяжное устройство 23 (фиг.7) может быть выполнено в виде пластины, прижимаемой с заданным усилием к щеке катушки шпулярника 12 пружиной или натяжных роликов, соединенных с каждой катушкой. Допускается использование любого другого натяжного устройства, обеспечивающего сматывание волокна с катушек с равномерным постоянным натяжением. Значение натяжения армирующих волокон в процессе изготовления сердечника определяют экспериментально в ходе предварительных технологических экспериментов. Цель экспериментов - определить минимальное значение натяжения волокон в процессе изготовления сердечника, при котором вклад армирующих волокон в прочность (предел прочности при растяжении) готового сердечника с учетом доли волокон в сечении сердечника составлял бы не менее 90-95% от прочности волокон в микропластике.
Изготовление патентуемого провода осуществляется на стандартном технологическом оборудовании.
Шпулярник 12 с бобинами армирующего волокна может иметь:
- различное количество катушек (от 1 до 850 штук) в зависимости от текса армирующего волокна и диаметра формуемого сердечника,
- различное пространственное расположение катушек, например, катушки располагают вертикально одна под другой (фиг.7), возможно горизонтальное расположение катушек - в ряд, возможна комбинация из вертикально и горизонтально расположенных катушек, в том числе катушек, сматывание с которых осуществляется без вращение катушки (неподвижно закрепленные катушки).
Термопечь 13, 18, ванна пропитки 14, экструдер 19 для нанесения защитного покрытия, крутильная машина 20 для скрутки проволок токопроводящей жилы вокруг композиционного сердечника и приемная катушка 21 имеют стандартную традиционную конструкцию.
Калибровочное отверстие 15 служит для удаления лишнего связующего с пучка смоченных армирующих волокон и формования профиля стержня композиционного сердечника.
Устройство спиральной намотки 16 конструктивно представляет собой катушку с волокном для спиральной намотки, расположенную на валу вращающейся рамы, на которой имеются направляющие кольца для сматываемой нити, зажим, регулирующий усилия натяжения при намотке и служит для формования профиля композиционного сердечника в виде длинномерного стержня. Шаг намотки регулируется скоростью вращения устройства. Патентуемый способ предусматривает, что для спиральной намотки могут использоваться устройства, в которых одна (однозаходная намотка) или несколько (многозаходная намотка) катушек с нитями располагаются на вращающей раме или на нескольких вращающихся рамах (многозаходная, встречная перекрестная намотка).
Формование профиля стержня и упрочняющего повива 2 осуществляют путем спиральной намотки термостойкой нити 17 на пучок смоченных связующим армирующих волокон. Для получения заданного диаметра сердечника одножильной или многожильной конструкции опытным путем определяют и устанавливают требуемый диаметр калибровочного отверстия 15, шаг и усилие намотки термостойкой нити 17.
До начала серийного (промышленного) производства патентуемого повода на основе композиционного сердечника определенного состава и диаметра проводят технологические исследования, имеющие своей целью определение значений диаметра калибровочного отверстия 15, шага и усилия спиральной намотки термостойкой нити 17, при которых диаметр длинномерного отформованного стержня после отверждения связующего в термопечи 18, точно соответствовал требуемому диаметру сердечника (единичной жилы).
Подбор диаметр калибровочного отверстия 15, шага и усилия спиральной намотки термостойкой нити 17 на этапе технологических исследований, позволяет получать композиционный сердечник патентуемого провода требуемых размеров и свойств, используя широкий спектр волокнистых материалов и полимерных связующих.
Следует отметить, что термостойкие нити 17, например арамидные нити «Русар», имеющие предел прочности до 8 ГПА, используемые при спиральной намотке на сердечник, т.е. при формировании профиля сердечника и упрочняющего спирального каркаса 2 улучшают механические (усталостную прочность при малоугловых знакопеременных нагрузках, вибрационную стойкость) характеристики готового сердечника. Особенно сильно это влияние будет проявляться при использовании многозаходной, многорядной, перекрестной встречной спиральной намотке.
При изготовлении патентуемого провода с многожильным композиционным сердечником дополнительной технологической операцией является скрутка отформованных жил на стандартных крутильных машинах (на фигурах не показаны) с откруткой (катушки с жилами композиционного сердечника при сматывании дополнительно вращаются вокруг собственной оси). При скрутке многожильного композиционного сердечника используют стандартные схемы типа 1+6 т.е. вокруг центральной жилы на крутильных машинах скручивают 6 жил. В многожильном сердечнике обычно есть центральная жила и скрученные вокруг нее жилы.
2
2
Предварительные технологические эксперименты при изготовлении патентуемого высокотемпературного алюминиевого провода (ВУАП) с композиционным сердечником многожильной конструкции (фиг.4), типа ВУАП 240/39 (240 мм - площадь сечения токопроводящего части содержащей два повива из 26-ти проволок диаметром 3,7 мм из отожженного алюминия А5Е; 39 мм - площадь сечения сердечника из семи скрученных единичных жил диаметром 2,7 мм, содержащих стеклянное волокно ВМП (80% масс.) и эпоксидное связующее (20% масс), спиральный упрочняющий каркас из теплостойкой нити «Русар» (6,5 текс)) показали:
- для единичной жилы композиционного сердечника установленного диаметра и состава при спиральном упрочняющем каркасе, выполненным однозаходной спиральной намотки оптимальными показателями являются: диаметр калибровочного отверстия - 2,9 мм, шаг намотки 2 мм, усилие намотки - 20 Н.
- значение натяжения при сматывании с катушек стеклянного волокна ВМП составляет - 30 Н.
Лабораторное опробование опытно-промышленной партии (500 м) высокотемпературного алюминиевого провода (ВУАП 240/39) с многожильным композиционным сердечником (диаметр единичной жилы 2,2 мм), изготовленным согласно патентуемой полезной модели, подтверждает, что композиционный сердечник провода ВУАП имеет коэффициент температурного расширения (КТР) в 20 раз меньше стального сердечника сталеалюминиевого провода АС 240/39, и в 4 раза меньше сердечника провода АССС 240/39 (заявка РСТ WO №2005/040017, В 65Н). КТР провода ВУАП обеспечивает минимальный провис при повышенных температурах (не более 10% от провиса провода АС). Провод ВУАП в 1,7 раза прочнее проводов АС, что обеспечивает 6-ти кратный запас прочности в условиях эксплуатации. Низкий удельный вес, высокая пропускная способность за счет возможности длительной эксплуатации при температуре 180ºС, позволяют рассматривать провода ВУАП с композиционным несущим сердечником в качестве перспективного провода воздушных линий электропередачи