ПРОВОД ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
WIRE FOR OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к области электротехники, а в частности к конструкции неизолированных многопроволочных проводов, для воздушных линий электропередачи.
Известна конструкция сталеалюминевого провода марки АС [ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Утвержден и введен в действие постановлением государственного комитета СССР по стандартам от 23.06.80 №2987], состоящего из стального сердечника, обеспечивающего механическую прочность провода, и одного или нескольких концентрических повивов круглых алюминиевых проволок (активный материал), передающих электрическую энергию. Сердечник провода скручивается из стальных оцинкованных круглых проволок.
Недостатком данной конструкции являются: низкий коэффициент заполнения сечения токоведущей части провода активным материалом, что увеличивает наружный диаметр провода; низкий длительно допустимый ток при рабочей температуре провода.
Наиболее близким по технической сущности является конструкция компактного неизолированного провода для воздушных линий электропередачи [RU 96442 U1, МПК Н01В 5/00 (2006.01), опубл. 27.07.2010], состоящего из стального пластически обжатого сердечника из стальных проволок с коррозионно-защитным металлическим покрытием марки ПОС, обеспечивающего механическую прочность провода, и одного или нескольких концентрических повивов проволок из алюминиевого сплава ABE по ГОСТ 20967-75 или алюминиево-циркониевого сплава TAL или ZTAL трапецеидального сечения (активный материал), передающих электрическую энергию. Сердечник провода скручивается из стальных оцинкованных проволок, форма которых задается с помощью обжатия и имеет вид взаимосопряженных фасонных профилей.
Недостатки известного неизолированного провода следующие: длительно допустимый ток увеличен за счет повышения температуры рекристаллизации алюминия; проволоки выполнены из специального высокотехнологического термостойкого алюминиево-циркониевого сплава; для подвески провода на опорах требуется специальная линейная арматура, из-за высокой температуры проводника, которая составляет более 200°С.
Также известны и другие конструкции проводников, например, кабелей, которые позволяют увеличить длительно допустимый ток за счет принудительного его охлаждения, т.е. улучшения условий теплоотвода от кабеля.
Различают внутренние, внешние и косвенные системы охлаждения.
Основными особенностями системы внутреннего охлаждения являются: охлаждение токопроводящей жилы осуществляется за счет прокачивания масла по внутреннему каналу; для циркуляции масла по замкнутому циклу необходимы обратный трубопровод и теплообменник для его охлаждения; длины кабельных линий ограничены за счет малых объемов охлаждающего масла. Кабели с внутренней системой охлаждения изготавливаются по ГОСТ 16441-78.
Системы с внешним (поверхностным) охлаждением кабельной линии имеют следующие особенности: в качестве охлаждающей среды могут применяться воздух, вода, масло под высоким давлением; охлаждающая среда находится в непосредственном контакте с наружной поверхностью кабеля; в качестве конструктивного решения применяется прокладка кабельной линии в трубе (объединено или с разделением по фазам), по которой продувается воздух, прокачивается вода или масло [SU 150142 А1, 1962]. К данной системе относится поверхностное охлаждение кабельной линии криогенной системой, где в качестве охлаждающей среды выступает криоген [RU 2491671 С2, 2013].
Основными особенностями системы косвенного охлаждения являются: отсутствует непосредственное охлаждение кабеля водой, маслом или воздухом; в качестве теплоотвода применяются трубы с проточной водой, прокладываемые около кабельной линии; теплоотдача от кабельной линии происходит за счет снижения температуры окружающей среды.
Основными недостатками принудительного его охлаждения являются: создание и эксплуатация сложных дополнительных систем охлаждения проводника.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка конструкции неизолированного провода для линии воздушной электропередачи, без создания дополнительных систем охлаждения, имеющего улучшенные эксплуатационные характеристики.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении пропускной способности линий электропередачи путем увеличения длительно допустимого тока провода без увеличения площади поперечного сечения.
Технический результат достигается тем, что в известном неизолированном проводе для воздушных линий электропередачи, содержащим стальной сердечник, выполненный из одной или нескольких проволок, имеющих вид взаимосопряженных фасонных профилей, и несколько концентрических внутренних повивов и внешнего повива, выполненных из токопроводящих проволок трапецеидального сечения из алюминиевых или алюминиево-циркониевого сплава, особенностью является то, что указанный внешний повив образован проволоками с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции, на большем основании которой выполнены зубья с радиусом кривизны r и впадины с радиусом кривизны r, при этом высоту зуба Η определяют с учетом расстояния раздвижения центров окружностей зуба и впадины. Возможно, что в качестве алюминиево-циркониевого сплава использован сплав TAL или ZTAL, а межпроволочное пространство провода заполнено консистентной смазкой.
Заявляемая конструкция неизолированного провода позволяет повысить длительно допустимый ток провода, без увеличения площади поперечного сечения, рабочей температуры проводника, а также создания систем принудительного охлаждения. Увеличение длительно допустимого тока осуществляется путем увеличения отдачи количества тепла проводом в окружающую среду от боковой поверхности, за счет увеличения периметра поперечного сечения.
Увеличение пропускной способности проводника с помощью повышения длительно допустимого тока известно. Для этого применяется специальный токопроводящий материал - термостойкий сплав или специальные системы улучшения условий теплоотвода от проводника. Также известна конструкция провода с улучшенными условиями теплоотвода от проводника, с помощью увеличения площади боковой поверхности проводника, и тем самым повышается длительно допустимый ток [RU 156801 U1, 2015, RU 156715 U1, 2015]. В известных конструкциях провода высота зуба Η составляет не более двух радиусов кривизны зуба - 2 r(n). Но не известна конструкция провода, где для повышения периметра поперечного сечения провода увеличивается высота зуба за счет раздвижения центров окружности - зуба, с радиусом кривизны r(n) и впадины с радиусом кривизны r(n) на расстояние h. При этом высота зуба Η=2r(n)+h(n).
При использовании в проводе во внешнем повиве проволок в виде равнобочной трапеции, на большем основании которой выполнены зубья, происходит более быстрое охлаждение провода, чем при использовании в проводе проволок с гладкой поверхностью (прототип). Следовательно, по проводу можно передать больше электроэнергии, при этом температура провода не превысит допустимой температуры рекристаллизации активного материала.
На фиг. 1 изображено поперечное сечение провода, состоящего из проволок.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение проволоки внешнего повива.
На фиг. 3 изображен неизолированный скрученный провод.
На фиг. 4 изображены зависимости: изменение радиуса кривизны r зуба от количества зубьев; изменение периметра поперечного сечения провода от количества зубьев при высоте зуба Η=2r; изменение периметра поперечного сечения провода от количества зубьев при увеличенной высоте зуба H=2r+h.
2
На фиг. 5 изображены зависимости: температуры провода сечением 300/37 мм из алюминиево-циркониевого сплава от длины периметра поперечного сечения при токах 900 А, 1300 А, 1700 А, 2100 А.
На фиг. 6 изображен проводник, состоящий из трех участков. Первый участок представляет собой в поперечном сечении круг, второй участок - в поперечном сечении зубчатое колесо с количеством зубьев 12 шт., третий участок - в поперечном сечении зубчатое колесо с количеством зубьев 24 шт.
2
На фиг. 7 изображено распределение векторов теплового потока (Вт/мм) от поверхности проводника.
На фиг. 1 показано: 1 - сердечник провода с формой взаимосопряженных фасонных профилей из стальных проволок; 2 - токопроводящая проволока алюминиевая или проволока из алюминиево-циркониевого сплава с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции; 3 - токопроводящая проволока алюминиевая или проволока из алюминиево-циркониевого сплава с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции, на большем основании которой выполнены зубья; 4 - внутренний проволочный повив; 5 - внешний проволочный повив; 6 - зубья, выполненные на внешней поверхности токопроводящей проволоки 3 внешнего повива.
На фиг. 2 показано: 3 - токопроводящая проволока алюминиевая или проволока из алюминиево-циркониевого сплава с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции, на большем основании которой выполнены зубья; 6 - зуб с радиусом кривизны r; 7 - впадина с радиусом кривизны r, 8 - Η - высота зуба; 9 - h - расстояние раздвижения центров окружностей зуба и впадины (расстояние между осями радиуса кривизны зуба 6 и впадины 7); 10 - наружный радиус R проволоки с поперечным сечением в виде круга.
На фиг. 3 показано: 1 - сердечник провода с формой взаимосопряженных фасонных профилей из стальных проволок; 2 - токопроводящая проволока алюминиевая или проволока из алюминиево-циркониевого сплава с поперечным сечением в виде равнобокой трапеции; 3 - токопроводящая проволока алюминиевая или проволока из алюминиево-циркониевого сплава с поперечным сечением в виде равнобокой трапеции, на большем основании которой выполнены зубья 6; 4 - внутренний проволочный повив; 5 - внешний проволочный повив.
На фиг. 4 показано: 11 - кривая изменения радиуса кривизны r(n) зуба от количества зубьев; 12 - кривая изменения периметра поперечного сечения Р1(n) в виде зубчатого колеса от количества зубьев; 13 - кривая изменения периметра поперечного сечения Р2(n) в виде зубчатого колеса от количества зубьев с увеличенной высотой H=2r+h; 14 - линия периметра проволоки с поперченным сечением Р(n) в виде круга.
На фиг. 5 показано: 15 - кривая изменения температуры проводника от длины периметра поперечного сечения провода при токе 900 А; 16 - кривая изменения температуры от длины периметра поперечного сечения провода при токе 1300 А; 17 - кривая изменения температуры от длины периметра поперечного сечения провода при токе 1700 А; 18 - кривая изменения температуры от длины периметра поперечного сечения провода при токе 2100 А; 19 - линия - периметр поперечного сечения провода (прототип); 20 - линия - периметр поперечного сечения провода (заявляемое решение); точка А - точка пересечения линии 19 периметра поперечного сечения провода (прототип) с кривой изменения температуры при токе 1700 А; точка Б - точка пересечения линии 20 периметра поперечного сечения провода (заявляемое техническое решение) с кривой изменения температуры при токе 1700 А.
На фиг. 6 показано: 21 - проводник; 22 - первый участок проводника с поперечным сечением круг; 23 - второй участок проводника с поперечным сечением зубчатое колесо с количеством зубьев 12 шт.; 24 - третий участок проводника с поперечным сечением круг, зубчатое колесо с количеством зубьев 24 шт.
На фиг. 7 показано: 21 - проводник; 25 - вектор теплового потока от поверхности проводника.
Основные положения физической сущности конструкции провода с увеличенным длительным допустимым током следующие:
1. Наличие тока в проводе вызывает его нагрев.
2. Охлаждение провода быстрее при большей его площади боковой поверхности.
3. Периметр геометрических фигур (треугольник, круг, шестиугольник) разный при одинаковой площади.
4. Коэффициент заполнения полного сечения многопроволочного провода активным материалом выше у проволок трапецеидального сечения, по сравнению с круглым сечением.
5. Плотность тока в проводе с радиусом 11,95 мм (9,554 мм) из активного материала алюминия (меди) с поперечным сечением при 50 Гц распределяется равномерно в поперечном сечении.
6. Провода, при передаче электроэнергии в напряжениях 6-35 кВ, создают вокруг своей поверхности неравномерное электрическое поле, которое не ионизирует воздух (потери электроэнергии на корону незначительные).
7. Потери электроэнергии в проводе уменьшаются при снижении температуры нагрева провода.
Покажем возможность использования провода, состоящего из проволок во внешнем повиве с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции, на большем основании которой выполнены зубья с увеличенной высотой Η зуба за счет раздвижения центров окружности зуба, с радиусом кривизны r(n) и - впадины с радиусом кривизны r(n) на расстояние h.
Обоснование конструкции
1. Количество выделяемого тепла при протекании тока
При протекании длительно допустимого тока провод нагревается в соответствии с законом Джоуля - Ленца. Максимальное количество тепла без нарушения механической прочности провода, выделяемого в проводнике за единицу времени, определяется [Александров Г.Н. Передача электрической энергии / Г.Н. Александров. - 2-е изд. -СПб.: Изд-во Политехн., ун-та, 2009. - 412 с. (Энергетика в политехническом университете). - С. 16]:
дл.доп
где I - ток, нагревающий провод при заданных климатических условиях до допустимой температуры по условиям механической прочности провода, А [СТО 56947007-29.240.55.143-2013 Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов воздушных линий. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2013];
Э
R - удельное активное сопротивление проводника, Ом/м;
t
ρ - удельное электрическое сопротивление проводов при температуре провода 25°С, Ом⋅м;
2
F - площадь поперечного сечения, мм.
Температура нагрева провода во многом зависит от активного сопротивления и условий окружающей среды.
2. Охлаждение провода
Охлаждение провода происходит путем излучения и конвекции. Количество тепла, отдаваемого проводом (единичной длины) в окружающую среду в единицу времени, определяют по следующей зависимости [Александров Г.Н. Передача электрической энергии / Г.Н. Александров. - 2-е изд. - СПб.: Изд-во Политехн., ун-та, 2009. - 412 с. (Энергетика в политехническом университете). - С. 16]:
Т
2
где α - коэффициент теплоотдачи, зависящий от температуры провода и его размера, Вт/(м⋅К);
б.п
2
S - площадь боковой поверхности провода на 1 м длины провода, м;
Τ - абсолютная температура провода, К;
0
0
Т - абсолютная температура окружающей среды (на территории России рекомендуется принимать t=25°С), К.
Площадь боковой поверхности единицы длины провода выражается формулой:
б.п
S=P⋅L, (3)
где L - длина проводника, мм;
Ρ - периметр площади поперечного сечения проводника, м.
Анализ соотношений (3), (4) показывает, что увеличение периметра поперечного сечения провода увеличивает площадь боковой поверхности единичной длины провода и, следовательно, количество отводимого тепла от его поверхности.
3. Периметр геометрических фигур
2
Из геометрии известно, что при одинаковой площади (например, 300 мм) у разных фигур, их периметр отличается. В таблице 1 приведены значения периметров различных геометрических фигур.
Таким образом, из рассмотренных в таблице 1 геометрических фигур самый большой периметр у звезды. При выполнении у провода внешнего проволочного повива 5 из токопроводящих проволок 3 с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции, на большем основании которой выполнены зубья 6, периметр будет самым большим.
Для увеличения плотности заполнения активным материалом в поперечном сечении провода, токопроводящие проволоки 2 приняты с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции.
4. Длительно допустимый ток провода
Длительно допустимый ток провода найдем, приравняв правые части выражений (1) и (2) с учетом выражения (3):
з
где χ - коэффициент заполнения провода активным материалом.
Соотношение (4) показывает зависимость длительно допустимого тока от периметра поперечного сечения провода.
5. Коэффициент теплоотдачи
Коэффициент теплоотдачи нагретого провода, обтекаемого воздухом, температура которого меньше температуры провода, равен:
Т
И
К
α=α+α, (5)
К
2
где α - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м⋅К);
И
2
α - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м⋅К).
Коэффициент теплоотдачи излучением зависит от температуры наружной поверхности провода и находится по закону Стефана-Больцмана:
где ε - коэффициент черноты поверхности провода;
0
-8
2
4
С=5,7⋅10 Вт/(мК) - постоянная излучения абсолютно черного тела;
Τ - абсолютная температура провода, К;
0
Т - абсолютная температура окружающей среды, К.
Коэффициент теплоотдачи конвекции, который зависит от периметра поперечного сечения провода [RU 2417905 С1], определяется соотношением:
где a, b - постоянные коэффициенты;
λ=0,026 Вт/(м⋅К) - теплопроводность воздуха;
-5
2
v=1,51⋅10 м/с - кинетическая вязкость воздуха;
=0,6 м/с - скорость ветра;
Ρ - периметр поперечного сечения провода, м.
Значение коэффициентов а и b принимаются из следующих условий:
- если , то а=0,44; b=0,813;
- если , то а=0,59; b=0,288.
Значение отношения  принимается из следующих условий:
- если , то =2,73;
- если , то =5.19.
Соотношение (7) показывает, что увеличение периметра поперечного сечения Ρ провода уменьшает коэффициент теплоотдачи конвекции.
На фиг. 6 показан проводник, состоящий из трех участков с разной площадью боковой поверхности.
В программе ANSYS 16.0 построена физическая модель проводника, состоящего из трех участков с разной площадью боковой поверхности (фиг. 6).
На фиг. 7 показана плотность векторов теплового потока 25 от поверхности проводника. На фиг. 7 видно, что плотность векторов теплового потока 25 выше на третьем участке 24 с поперечным сечением зубчатое колесо с количеством зубьев 24 шт.
Таким образом, проводник с поперечным сечением зубчатое колесо охлаждается лучше, чем проводник с поперечным сечением круг.
6. Скин-эффект
Плотность постоянного тока распределяется по сечению провода равномерно.
При переменном токе наблюдается вытеснение тока с его объема проводника к поверхности, глубина которого называется толщиной скин-слоя [Богачков И.В. Электромагнитные поля и волны. Часть 1 / И.В. Богачков. - уч. пособ. для вузов - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014].
Толщина скин-слоя в проводнике определяется формулой:
где f - частота, Гц;
σ - удельная проводимость, См/м;
0
-7
μ=4π⋅10 - магнитная проницаемость, Гн/м;
μ - относительная магнитная проницаемость (для алюминия - 1,00026; для меди - 0,9999904).
Анализ соотношения (8), показывает, что толщина скин-слоя зависит от частоты электромагнитного поля и материала проводника, так при частоте 50 Гц, толщина скин-слоя у алюминия 11,95 мм, а у меди - 9,554 мм.
Радиус у провода по [ГОСТ 839-80] АС-120/27 составляет - 7,7 мм, провода АС-300/39 - 12 мм.
Таким образом, скин-эффект у алюминиевого провода с радиусом до 12 мм можно не учитывать.
7. Условие коронирования провода
Вокруг провода возникает разряд в виде короны при максимальном значении начальной критической напряженности электрического поля [Рожкова Л.Д. Электрооборудование станций и подстанций / Л.Д. Рожкова, В.С. Козулин. - учебник для техникумов. – М.: Изд-во «Энергия», 1975. С. 281-283]:
где m - коэффициент, учитывающий неровность поверхности провода (для многопроволочных проводов m=0,82);
0
r - радиус провода, см.
Напряженность электрического поля около поверхности нерасщепленного провода определяется по выражению:
где U - линейное напряжение, кВ;
cp
D - среднегеометрическое расстояние между проводами фаз, см.
0
Провода не коронируют, если наибольшая напряженность поля у поверхности любого провода не более 0,9⋅Е. Таким образом, условие проверки на корону можно записать в виде:
0
1,07Ε≤0,9Е (11)
Анализ выражений (9)…(11) показывает, что при увеличении периметра поперечного сечения Ρ провода или линейного напряжения условие коронирования провода повышается.
В таблице 2 выполнено сравнение для классов напряжения 6-35 кВ условия коронирования провода, с внешним повивом 5 из токопроводящих проволок 3 с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции, на большем основании которой выполнены зубья 6.
Исходя из таблицы 2, провод с зубьями на внешнем повиве можно использовать в классах напряжения до 35 кВ.
Согласно приведенным выше положениям физической сущности, конструкция провода, состоящего во внешнем повиве из проволок с поперечным сечением в виде равнобочной трапеции, на большем основании которой выполнены зубья с увеличенной высотой, позволяет увеличить длительно допустимый ток. При этом у провода площадь поперечного сечения Ρ не увеличена и количество активного материала (алюминия, меди и т.п.) в проводе осталось без изменения. Такой провод можно использовать в народном хозяйстве для воздушных линий электропередачи до класса напряжения 35 кВ.
8. Расчет конструкции предлагаемого провода
Выполним расчет конструкции провода сечением 300/37 (заявляемого технического), состоящего из термостойкого алюминиево-циркониевого сплава.
Периметр поперечного сечения гладкого провода 300/37 (прототип) определяется по формуле:
Ρ=2⋅R⋅π. (12)
где R - внешний радиус гладкого провода, мм.
Для расчета размеров зубьев найдем радиус кривизны, который зависит от количества зубьев провода и от внешнего радиуса провода.
Радиус кривизны зуба находится по формуле:
где R - внешний радиус гладкого провода, мм; n - количество зубьев, шт.
Периметр поперечного сечения провода с n зубьями находится по формуле:
Р1(n)=2⋅r(n)⋅n⋅π. (14)
По формулам (12)…(15) на фиг. 4 построена кривая 11 - изменение радиуса кривизны зуба r от количества зубьев n, и кривая 12 - изменение длины периметра поперечного сечения Ρ провода с зубьями от количества зубьев n, прямая 13 периметра проволоки с поперченным сечением в виде круга (прототип).
Анализ фиг. 4 показывает, что увеличение количества зубьев приводит к увеличению периметра поперечного сечения провода (кривая 12) не линейно, т.е. чем больше зубьев, тем меньше их радиус (кривая 11), и впоследствии периметр Р1(n) увеличивается незначительно. Поэтому нет необходимости на проводе создавать большое количество зубьев.
Для увеличения периметра поперечного сечения Р1(n) провода предложено увеличивать высоту Η зуба за счет раздвижения центров окружности - зуба 6, с радиусом кривизны r(n) и впадины 7 с радиусом кривизны r(n) на расстояние h, которое определяется по выражению:
h(n)=k⋅r(n), (15)
где k - коэффициент увеличения высоты Η зуба, k=2.
Периметр поперечного сечения провода с n зубьями с коэффициентом k увеличения высоты Η зуба определяют по формуле:
Р2(n)=2⋅r(n)⋅n⋅(π+k-2) (16)
На фиг. 4 по формуле (16) построена кривая 13 - изменение периметра поперечного сечения провода с зубьями Р2(n) от количества зубьев n с учетом коэффициента увеличения k (кратности) высоты Η зуба.
Количество зубьев на проволоке внешнего повива зависит от требуемого периметра поперечного сечения Р2 провода, и от количества проволок внешнего повива и определяется соотношением:
где n1 - количество зубьев провода, N - количество проволок во внешнем повиве провода.
Результаты расчетов основных размеров провода 300/37 (заявляемое техническое решение) представлены в таблице 3.
Как видно из фиг. 4 и таблицы 3, при увеличении количества зубьев n у провода 300/37 (заявляемое решение) периметр Р2(n) значительно увеличивается при количестве зубьев n от 3 до 50 шт. Принимаем провод с количеством зубьев n, кратным количеству проволок во внешнем повиве, n=48 шт. При этом периметр поперечного сечения провода составляет 115,19, увеличен на 176%.
Дополнительно увеличить периметр поперечного сечения Р2(n) возможно путем увеличения высоты зуба Η (фиг. 2) за счет увеличения расстояния раздвижения центров окружностей зуба 6 и впадины 7.
Высоту зуба определяют из выражения с учетом (16):
Η=2r(n)+h(n)=r(n)(2+k) (18)
В качестве примера заявляемого технического решения выполнен расчет для провода 300/37 с увеличенной высотой Η зуба при разном k высоты зуба. Результаты расчета периметра провода с увеличенной высотой зуба Η приведены в таблице 4.
Таким образом, увеличивая высоту Η зуба путем увеличения расстояния между центрами зуба и впадины, периметр увеличивается еще больше. Размер высоты Η зуба в зависимости от расстояния h раздвижения центров окружностей зуба и впадины (кратности) ограничен только механической прочностью и габаритами проволоки внешнего повива, а также условиями внешнего охлаждения провода.
9. Расчет температуры провода
Как изложено выше, электрический ток (например, ток нагрузки) в проводе приводит к выделению тепла в соответствии с законом Джоуля-Ленца, согласно соотношению (1). При этом провод с учетом охлаждения окружающей среды нагревается до температуры, которая находится из выражения (4):
Теперь проанализируем, как увеличение длины периметра поперечного сечения провода изменяет условия охлаждения провода при разных токах.
Для этого на фиг. 5 по выражению (19) построены четыре зависимости: кривая 15 - изменение температуры проводника от длины периметра поперечного сечения провода при токе 900 А; кривая 16 - изменение температуры от длины периметра поперечного сечения провода при токе 1300 А; кривая 17 - изменение температуры от длины периметра поперечного сечения провода при токе 1700 А; кривая 18 - изменение температуры от длины периметра поперечного сечения провода при токе 2100 А.
На графике фиг. 5 показан периметр поперечного сечения провода (прототип) - прямая 19 и периметр поперечного сечения провода (заявляемое решение) - прямая 20.
Точки пересечения прямой 19 с кривыми 15, 16, 17, 18 показывают температуру провода (прототип) при токах 900 А, 1300 А, 1700 А, 2100 А соответственно. Аналогично точки пересечения прямой 20 с кривыми 15, 16, 17, 18 показывают температуру провода (заявляемое решение) при тех же токах.
Например, точка А является пересечением прямой 19 периметра поперечного сечения провода (прототип) с кривой 17 изменения температуры при токе 1700 А; точка Б - пересечение прямой 20 периметра поперечного сечения провода (патент) с кривой 17 изменения температуры при токе 1700 А.
Рассмотрим, до какой температуры нагревается провод 300/37 (прототип) при токах 900 А, 1300 А, 1700 А, 2100 А.
Результаты расчетов представлены в таблице 5.
Таким образом, провод с большим периметром поперечного сечения охлаждается лучше, следовательно, проводник может выдержать больший ток тем самым длительно допустимый ток у провода 300/37 (заявляемое решение) выше, чем у провода 300/37 (прототип).
При токе 1700 А провод (заявляемое решение) с увеличенным периметром Р2 холоднее по сравнению с проводом (прототип) на ΔΤ. Поэтому при одном и том же сечении провода 300/37, но при увеличенном периметре поперечного сечения, можно передать больше электроэнергии. Эффект охлаждения провода проявляется больше при токах, близких к длительно допустимым.
10. Сопоставление параметров проводов (аналог, прототип, заявляемое решение)
Параметры известных неизолированных проводов (аналог, прототип) и предлагаемого провода для расчета длительно допустимого тока приведены в таблице 6.
Сравнительный анализ расчетных параметров в таблице 6 показывает:
1. Провод с увеличенной боковой поверхностью имеет большую площадь, следовательно, охлаждение данного провода происходит интенсивнее, при этом длительно допустимый ток для провода, изготавливаемого без использования термостойкого сплава, увеличивается на 11,4% по сравнению с аналогом, а для провода с термостойким сплавом увеличение длительно допустимого тока составляет 22,4% по сравнению с прототипом.
2. Использование проволок трапецеидального сечения позволяет увеличить коэффициент заполнения активного материала и, следовательно, уменьшить диаметр провода по сравнению с аналогом на 10%, при этом наружный диаметр предложенного провода соотносится с диаметром прототипа, выполненного также из проволок трапецеидального сечения только без рифления зубьев во внешнем повиве поверхности.
3. Уменьшение температуры провода путем увеличенной его боковой поверхности позволяет уменьшить активное сопротивление и тем самым снизить потери электроэнергии при электропередаче. Потери электроэнергии в предложенном проводе меньше на 1,2% и 6,2% по сравнению с потерями в проводах аналога и прототипа соответственно.
4. Стоимость предложенного провода ниже, так как при большей интенсивности охлаждения провода, увеличивается его длительно допустимый ток, поэтому можно использовать провод с меньшим сечением в сравнении с аналогом и прототипом, тем самым экономить на токопроводящем материале (алюминий, сплавы алюминия, меди и т.п.).
5. Механическая прочность предложенного провода выше на 5-10% (аналогично прототипу) по сравнению с аналогом за счет увеличения площади контакта стальных проволок сердечника, и тем самым повышается структурная устойчивость сердечника.
Таким образом, заявляемый провод обладает улучшенными техническими характеристиками, что позволяет больше передавать электроэнергии по ЛЭП.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Неизолированный провод для воздушных линий электропередачи изготавливают по шнуровой (пучковой) системе скрутки.
Проволоки сердечника 1 с поперечным сечением правильного шестиугольника (внутренний слой) и трапецеидального сечения (внешний слой), имеющих вид взаимосопряженных фасонных профилей, изготавливают методом волочения катанки, из углеродистой конструкционной стали, при этом на стальную проволоку наносят цинковое покрытие определенной толщины.
Токопроводящие проволоки 2, 3 с поперечным сечением формой поперечного сечения в виде правильной трапеции изготавливают методом волочения катанки, имеющей соответствующий профиль, из алюминия или его термостойкого сплава.
Сердечник 1 провода и проволоки 2, 3 (фиг. 1) укладывают в форму окружности и скручивают вместе в одну сторону на крутильной машине по спирали с определенным шагом скрутки. Скрутка может быть правой или левой. Скрученный сердечник далее пластически обжимают методом холодной прокатки с использованием специальных твердосплавных роликов. В результате такого обжатия сечения проволок принимают взаимосопряженные фасонные профили. Линейный контакт между проволоками развивается в полосовой. Увеличивается площадь контакта и снижаются контактные давления, заполняются зазоры между проволоками и повышается структурная устойчивость сердечника. Сердечник становится более гладким, а форма - округлой.
Межпроволочное пространство провода заполняют консистентной смазкой в процессе наложения внутренних повивов проволок.
Также неизолированный провод может быть изготовлен из современных материалов, металлов и их сплавов на базе существующих технологий с применением волочильного оборудования и оснастки для изготовления профильной проволоки, и крутильного оборудования, содержащего узлы для скрутки профильных проволок.
Основные положения настоящего изобретения также применимы для изготовления кабельно-проводниковой продукции, такой как провода с изоляцией, шины и кабели.