Антигололедный провод ВЛ

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована при строительстве и реконструкции воздушных линий электропередач для защиты от опасных режимов гололедообразования и «пляски» проводов в районах, подверженных гололедно-ветровым нагрузкам.
Известны аналоги неизолированных и изолированных проводов, применяемых на воздушных линиях электропередачи [1) 3уев Э.Д. «О классификации инновационных конструкций проводов воздушных ЛЭП», жур. «Кабель-NEWS» №3, 2013 г., с. 18-23; 2) Бошнякович А.Д. «Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи», М.- Л., 1962 г.].
Недостатком указанных аналогов является их подверженность к гололедообразованию, «пляске» проводов, Эти опасные режимы приводят к схлестыванию и перегоранию проводов, повреждению опор и отдельных конструктивных элементов, в результате существенно снижается надежность работы линий электропередач.
Наиболее близким прототипом к заявленному является композитный провод АСПТ с гладкой поверхностью, в которой благодаря трапециедальной форме проволок в наружном повиве несколько снижаются размеры гололедных отложений [Зотов Д.Р. и др. «Курсом инноваций - ООО ЭМ-кабель», жур. «Кабель-NEWS» №5, 2013 г., с. 32-34].
Однако существенным недостатком этих проводов также является подверженность гололедным отложениям, «пляске» и вибрации проводов, что приводит к массовым аварийным происшествиям в электросетях и значительно снижает надежность энергоснабжения потребителей.
Задачей полезной модели является предотвращение на неизолированных и изолированных проводах гололедных отложений и «пляски» проводов.
Поставленная задача достигается тем, что в проводах, содержащих повивы алюминиево-циркониевых проволок, в наружный повив встроены ферромагнитные проволоки, термозакаленные отдельными участками и с большим диаметром в количестве не более половины проволок внешнего повива, при этом сопротивление встроенных проволок на порядок больше сопротивления алюминиево-циркониевых проволок.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображено сечение заявляемого провода. Провод содержит проволоки 1 и ферромагнитные проволоки 2, расположенные в наружном повиве.
Физическая сущность предотвращения гололедных отложений, «пляски» и вибрации на заявляемом проводе заключается в том, что при протекании нагрузочных токов наибольшее токораспределение благодаря т.н. скин-эффекту происходит в ферромагнтных проволоках, так как их сопротивление больше сопротивления алюминиево-циркониевых проволок. В результате наружный повив провода в эксплуатационном режиме имеет подогретую поверхность и гололедные отложения и «пляска» изначально предотвращаются.
В заявляемом антигололедном проводе против гололеда, «пляски» и вибрации реализовано пять эффектов.
Первый - эффект нагрева поверхности проводов. Этот нагрев происходит благодаря расположению в наружном повиве встроенных ферромагнитных проволок с большим сопротивлением и благодаря действию т.н. скин-эффекта, т.е. протеканию токов нагрузки в поверхностных проволоках провода.
Ниже приводятся подтверждающие расчеты.
Полное сопротивление проводника определяется следующим образом [Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4 - 35-110 кВ, Том 1 М., Папирус ПРО, 1999]:
Z = R+jX или
2
2
L
C
Z = √R+(X-X),
где R - активное сопротивление проводника, Ом;
L
X - индуктивное сопротивление проводника, Ом;
С
Х - емкостное сопротивление проводника, Ом.
L
C
C
При рассмотрении отдельно взятого проводника X >> Х, т.е. полное сопротивление проводника носит преимущественно активно-индуктивный характер и сопротивлением Х можно пренебречь. Поэтому
2
2
L
Z = √R+X.
Активное сопротивление R вычисляется по формуле:
,
-6
где ρ - удельное сопротивление материала, Ом⋅м⋅10;
l - длина проводника, м;
2
S - площадь сечения проводника, м
и тогда:
,
L
т.е. полное (активно-индуктивное) сопротивление проводника зависит от диаметра (сечения) S, длины проводника l, сопротивления проводника ρ, а также от индуктивного сопротивления X проводника.
Удельное активное сопротивление ρ - величина постоянная и определяется только материалом проводника и температурой окружающей среды. В соответствии с ГОСТ 22265-76 «Материалы проводниковые. Термины и определения» для проводников из алюминиево-циркониевого сплава и ферромагнитных проволок значения р соответственно равны (при t = 20°С):
АСП
-6
ρ =0,025-0,027⋅10 Ом⋅м;
Ф
-6
ρ = 0,0229-10 Ом⋅м.
2
АСП
Ф
Например, провод марки АСП-185/24 в соответствии с ГОСТ 839-80Е «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач. Технические условия» имеет сечение алюминиево-циркониевой части 186,9 мм. Отсюда, зная значения ρ для алюминиево-циркониевого сплава и ферромагнитных проволок, находим значения R и R:
отсюда находим:
Ф
АСП
-3
-3
R/R = 1,37⋅10 / 0,139⋅10=9,8 раз, т.е. в проводе АСП 185/24 сопротивление ферромагнитной проволоки больше сопротивления алюминиево-циркониевых проволок в 9,8 раза.
Ф
АСП
В нижеследующей таблице приводятся расчеты по отношениям к R к R по нескольким маркам композитных проводов.
Из приведенного выше примера, а также из табл. 1 видно, что электрическое сопротивление ферромагнитных проволок значительно выше (больше на один порядок и более), чем сопротивление алюминиево-циркониевой части провода. Следовательно, нагрев ферромагнитных проволок будет происходить при протекании профилактических токов нагрузки значительно сильнее алюминиево-циркониевых проволок, что приведет к общему нагреву поверхности провода и, следовательно, к исключению налипания гололеда на проводе и исключению «пляски» проводов.
Аналогичные расчеты выполнены для проводов А и АС с повивом алюминиевых проволок. Удельные сопротивления равны:
А
-6
ρ = 0,026-0,028⋅10 Ом⋅м;
Ф
-6
ρ = 0,0229⋅10 Ом⋅м.
2
A
Ф
К примеру, провод марки АС-185/29 (наиболее часто применяемый для ВЛ напряжением 110 кВ) в соответствии с ГОСТ 839-80Е «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач. Технические условия» имеет сечение алюминиевой части 185 мм. Отсюда, зная значения ρ для алюминия и термообработанного алюминиевого сплава, находим значения R и R:
отсюда находим:
Ф
A
-3
-3
R / R = 1,37⋅10 / 0,146⋅10=9,3 раз, т.е. в проводе АС-185/29 сопротивление ферромагнитных проволок больше сопротивления алюминиевых проволок в 9,3 раза.
Ф
A
В нижеследующей таблице приводятся расчеты по отношениям R к R по основным маркам алюминиевых и сталеалюминиевых проводов.
Из приведенного выше примера, а также из таблицы 2 видно, что электрическое сопротивление ферромагнитных проволок значительно выше (больше на один порядок и более), чем сопротивление алюминиевой части провода. Следовательно, нагрев ферромагнитных проволок будет происходить при протекании тока нагрузки значительно сильнее алюминиевых проволок, что приведет к общему нагреву поверхности провода и, следовательно, к исключению налипания гололеда на проводе.
Профилактические токи, препятствующие образованию гололеда, близки или равны токам нагрузки.
Второй эффект - ферромагнитный с низкой температурой точки Кюри. Благодаря успехам металлургии созданы новые порошковые ферромагнитные материалы.
[Костюшко В.А., Тимашева Л.В. и др. «Снижение потерь мощности на корону ВЛ», Энергия единой сети №4(27), август-сентябрь 2016 г.] Физическая сущность точки Кюри у ферромагнитных материалов заключается в том, что при повышении температуры выше точки Кюри материал превращается в парамагнетик и тепло на проводе не выделяется, при снижении температуры ниже точки Кюри материал превращается в ферромагнетик. Так как площадь петли гистерезиса у ферромагнетика значительно выше, чем у парамагнетика, в покрытии выделяется тепло, препятствуя образованию гололеда. Таким образом, нагрев у таких проводов в зависимости от температуры автоматически включается и выключается.
Третий эффект - электромагнитный. Наличие в ферромагнитных проволоках, изготавливаемых из порошка Ni-Fe-Al (никель-железо-алюминий), никеля и железа приводит к перемагничиванию материала. Магнитные поля переменного напряжения линий и ферромагнитных проволок, встроенных в наружный повив, суммируются и от их усиленного воздействия водяные переохлажденные частицы, имеющие постоянный атмосферный заряд, электродвижущей силой по принципу работы электродвигателя отталкиваются, отбрасываются от поверхности провода, предотвращая обледенение и «пляску» проводов. В данном случае провод является статором, а водяные переохлажденные частицы - ротором.
Четвертый эффект обусловлен термической закалкой отдельными участками встроенных ферромагнитных проволок. Возникающие под действием ветра бегущие и отраженные волны, обуславливающие устойчивую «пляску» и вибрацию проводов, в местах перехода на участках большей жесткости (термозакаленные участки проволок) с соседними участками меньшей жесткости (незакаленные участки проволок) изначально демпфируются, точнее гасятся и провод не подвергается «пляске» и вибрации. Таким образом, в таком проводе изгибная и крутильная жесткость разная по длине, т.е. модуль упругости Е, умноженный на момент инерции I, величина непостоянная. Термическая закалка проволок выполняется общеизвестным способом закалки токами высокой частоты с помощью индуктора.
Пятый эффект связан с созданием асимметрии воздушного потока вокруг провода. Встроенные проволоки с увеличенным диаметром во внешнем повиве образуют ребра, которые, воздействуя на пограничный слой, создают асимметрию в обтекании провода потоком, воздуха. Проведенные испытания проводов в аэродинамических трубах показали, что срывы вихревых потоков воздуха Бернара-Кармана происходят с увеличенных диаметров проволок на расстоянии l,8d (d-диаметр провода), а со стандартных проволок - на расстоянии l,2d. В результате происходит расстройка, «разлад» механизма образования подъемных аэродинамических сил, и «пляска», вибрация изначально не возникают.
В изолированных проводах СИП ферромагнитные проволоки располагаются под защитной пленкой.
Заявляемый провод имеет следующие преимущества:
- Антигололедный провод позволяет изначально предотвратить гололедные отложения, «пляску» и вибрацию проводов, что значительно повышает надежность работы линий электропередач и обеспечивает надежность энергоснабжения потребителей при любых климатических аномалиях.
- Предотвращение обледенения проводов осуществляется рабочими нагрузочными токами без отключения энергоснабжения потребителей.
;
- В эксплуатационных условиях при применении заявляемого провода не требуются установки плавки гололеда, проведения самих плавок, оборудования ВЛ гасителями «пляски» и вибрации, что позволяет сэкономить значительные капитальные затраты.
- Заводская технология производства проводов не изменяется: только в несколько другом порядке устанавливаются исходные барабаны с проволоками. Ферромагнитные проволоки поставляются готовыми.
Литература
1. Зуев Э.Д. «О классификации инновационных конструкций проводов воздушных ЛЭП», жур. «Кабель-NEWS» №3, 2013 г., с. 18-23.
2. Бошнякович А.Д. «Механический расчет проводов и тросов линий электропередачи», М.- Л., 1962 г.
3. Зотов Д.Р. и др. «Курсом инноваций - ООО ЭМ-кабель», жур. «Кабель-NEWS» №5, 2013 г., с. 32-34.
4. Макаров Е.Ф., Справочник по электрическим сетям 0,4-35-110 кВ, Том 1. М., Папирус ПРО, 1999 г.
5. Костюшко В.А., Тимашева Л.В. и др. «Снижение потерь мощности на корону на ВЛ», Энергия единой сети, №4(27), август-сентябрь 2016 г.