ПРОВОД НЕИЗОЛИРОВАННЫЙ ПОВЫШЕННОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям неизолированных проводов, предназначенных для передачи электрической энергии в высоковольтных воздушных линиях электропередачи (ВЛ).
Полезная модель реализована в следующей конструкции
Сердечник скручен из круглых проволок, поверх которых наложены один или несколько наружных повивов из профилированных проволок Z-образной формы, обеспечивающих компактную конструкцию провода и гладкую поверхность. Проволоки изготовлены из термообработанного алюминиевого сплава с содержанием кремния, магния и железа, имеющего прочность не менее 260 МПа и проводимость не менее 55,6% IACS.
Уровень техники
Известен неизолированный провод марки АС по ГОСТ 839-80 «Провода неизолированные для ВЛ. Технические условия» с сердечником из круглых стальных проволок и с токопроводящим слоем, состоящим из одного или нескольких концентрических повивов из круглых алюминиевых проволок.
К недостаткам известного провода можно отнести следующее:
недостаточная надежность провода, связанная с увеличенным наружным диаметром и малой крутильной жесткостью из-за недостаточной компактности конструкции (коэффициент заполнения 0,76), что приводит к повышенной вибрации провода и возникновением пляски провода под действием ветра;
низкая стойкость провода к снегоналипанию и гололедообразованию из-за ребристой поверхности провода, определяемой круглой формой проволок наружного повива;
снижение прочности провода в процессе эксплуатации из-за трения проволок сердечника и токопроводящего повива, имеющих разные физические характеристики;
недостаточная стойкость провода к электрохимической коррозии;
недостаточная пропускная способность в расчете на единицу массы провода;
высокие потери при передаче электроэнергии.
Известен провод неизолированный компактной конструкции, содержащий сердечник из круглых стальных проволок и токопроводящий слой из алюминия или алюминиевого сплава, один или несколько концентрических повивов которого выполнены из проволок, имеющих в сечении стреловидный профиль (патент на полезную модель РФ № 111338 U1, H01B 5/10, опубликован 27.08.2010).
В известном проводе устранены недостатки применяемых сталеалюминевых проводов из круглых проволок, провод обладает меньшим диаметром, более высокой стойкостью к налипанию снега, образованию гололеда, к воздействию ветра. К недостаткам известного провода можно отнести
использование в конструкции материалов, имеющих разные физические характеристики, что приводит к электрохимической коррозии и ухудшению механических характеристик в процессе эксплуатации, к снижению срока службы провода;
недостаточная пропускная способность в расчете на единицу массы провода;
высокие потери при передаче электроэнергии.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели являются неизолированные провода AERO-Z производства компании Nexans (Франция) (http://промкаталог.рф/PublicDocuments/0514317.pdf ). Провода AERO-Z выполнены целиком из алюминиевого сплава, имеют компактную конструкцию. Наружный слой провода AERO-Z выполнен из проволок Z-образного профиля, практически идеально гладкий, имеет незначительные винтовые канавки, возникающие между верхними кромками Z-образных проволок с тщательно подобранными шагом скрутки, глубиной и шириной. Z-образная форма проволок наружного повива была выбрана как наиболее надежная при эксплуатации, более устойчивая к механическим повреждениям, поскольку другие, например, трапецеидальные проволоки, не всегда идеально соприкасаются друг с другом и вибрация провода под действием ветра может вызвать увеличение наклона трапеций относительно друг друга, что приведет к выпиранию отдельных проволок и нарушению гладкости наружной поверхности провода. Таким образом, данная конструкция, сохраняя преимущества компактированного провода (уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления, крутильную жесткость, стойкость к воздействию ветра и гололеда), лишена недостатков, свойственных алюминиевым проводам со стальным сердечником, - электрохимической коррозии и ухудшению механических характеристик в процессе эксплуатации. Данный провод выбран в качестве прототипа. К его недостатку следует отнести недостаточную проводимость, вызванную необходимостью использовать в конструкции алюминиевый сплав повышенной прочности с достаточно высоким электрическим сопротивлением, что приводит к потерям при передаче электроэнергии, сравнимым с потерями при использовании сталеалюминиевого провода близкого сечения.
Задачей заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик неизолированного провода, включая снижение удельного электрического сопротивления и увеличение пропускной способности провода без снижения его прочности, что позволит существенно повысить энергоэффективность ВЛ при передаче электроэнергии.
Раскрытие сущности полезной модели
Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем. Неизолированный провод, содержащий сердечник из одной центральной круглой проволоки и 1-3 повивов круглых проволок, вокруг которого расположены слои Z-образных проволок, выполненных с линейным касанием проволок между собой. Скрутка повивов провода должна быть произведена в противоположные стороны, причем наружный повив должен иметь правое направление скрутки. Кратность шага скрутки проволоки для наружного повива должна быть от 10 до 14, для внутренних повивов - от 10 до 16. Количество повивов профилированной проволоки изменяется от одного до трех, при этом общее количество проволок в проводе может изменяться от 19 до 91, что определяется номинальным сечением провода. Проволоки изготовлены из термообработанного алюминиевого сплава, имеющего прочность не менее 260 МПа и проводимость не менее 55,6% IACS, с содержанием химических элементов, мас.%: кремний 0,40-0,50, магний 0,40-0,50, железо ≤0,35, прочие элементы ≤0,29, остальное - алюминий.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показано поперечное сечение предлагаемого провода.
Цифрами на чертеже обозначены следующие элементы:
1 - сердечник из круглых проволок,
2 - первый наружный повив из Z-образных проволок,
3 - второй наружный повив из Z-образных проволок.
Осуществление полезной модели
При изготовлении провода неизолированного повышенной проводимости выполняются следующие технологические операции.
Первая технологическая операция - волочение круглых и профилированных проволок из катанки, изготовленной из алюминиевого сплава, имеющего прочность не менее 260 Н/мм², удлинение не менее 5%, удельное электрическое сопротивление не более 31,0 нОм⋅м (проводимость не менее 55,6% IACS).
Вторая технологическая операция - термическая обработка проволоки в индукционной печи в течение 5-20 ч при температуре от 130 до 200°С. Это процесс искусственного старения материала, при котором происходит упорядочение кристаллической решетки и, как следствие, улучшение механических и электрических характеристик проволоки. Получаемая проволока из термообработанного алюминиевого сплава имеет удельную прочность на разрыв не менее 295 Н/мм², удлинение не менее 3%, удельное электрическое сопротивление не более 30,0 нОм⋅м (проводимость не менее 57,5% IACS).
Третья технологическая операция - скрутка проволок всех повивов провода единовременно.
Выполненные операции позволяют получить провод неизолированный повышенной проводимости компактной конструкции из термообработанного алюминиевого сплава. Данная технология позволяет производить провода сечением до 900 мм2 и более. При этом плотность заполнения токопроводящим материалом (алюминиевым сплавом) в сечении провода достигает 98% и, в отличие от технологии пластического деформирования, гарантирована равномерность заполнения межпроволочного пространства как во внутренних, так и во внешних повивах независимо от прочности и упругости используемого материала.
Технический результат достигается тем, что в проводе неизолированном для высоковольтных воздушных линий электропередачи используется профилированная проволока Z-образной формы из алюминиевого сплава с улучшенными электрическими и механическими свойствами. В результате провод имеет удельную прочность на разрыв не менее 315 Н/мм², а удельное электрическое сопротивление не более 31,73 нОм⋅м.
Таблица 1. Сравнение характеристик проводов AAAC-Z (ВП) с АС
Наименование провода
Полное сечение провода
Диаметр провода
Масса провода
Разрывное усилие
Max предел прочности на разрыв
Электрическое сопротивление постоянному току при 20°С
Удельное электрическое сопротивление при 20°С
Максимальный рабочий токпри температуре воздуха 25°С
мм²
мм
кг
°
Н
Н/мм²
°
Ом/км
нОм/м
°
А
°
АС 150/24
173,00
17,10
599
52 279
302
0,2039
35,27
445
AAAC-Z-177 (ВП)
179,27
16,50
507
-15,4%
57 070
318
5,3%
0,1761
31,57
-10,5%
587
31,9%
АС 205/27
231,60
19,80
774
63 740
275
0,1407
32,59
550
AAAC-Z-242 (ВП)
246,00
18,90
687
-11,2%
79 960
325
18,1%
0,1286
31,64
-2,9%
709
28,9%
АС 240/32
275,70
21,60
921
75 050
272
0,1182
32,59
605
AAAC-Z-261 (ВП)
265,70
19,60
742
-19,4%
86 350
325
19,4%
0,1191
31,64
-2,9%
761
25,8%
АС 240/56
297,30
22,40
1 106
98 253
330
0,1197
35,59
610
AAAC-Z-301 (ВП)
306,29
21,00
856
-22,6%
99 540
325
-1,7%
0,1033
31,64
-11,1%
812
33,1%
АС 300/66
354,30
24,50
1 313
117 520
332
0,1000
35,43
680
AAAC-Z-346 (ВП)
351,44
22,40
982
-25,2%
111 270
317
-4,5%
0,0900
31,63
-10,7%
886
30,3%
АС 330/43
375,10
25,20
1 255
103 784
277
0,0869
32,60
730
AAAC-Z-366 (ВП)
372,26
23,10
1 040
-17,1%
117 860
317
14,4%
0,0850
31,64
-2,9%
915
25,3%
АС 400/51
445,10
27,50
1 490
120 481
271
0,0733
32,63
825
AAAC-Z-455 (ВП)
461,73
26,10
1 306
-12,3%
150 060
325
20,1%
0,0686
31,67
-2,9%
1 048
27,0%
АС 500/26
507,60
29,40
1 537
112 548
222
0,0575
29,19
960
AAAC-Z-504 (ВП)
511,25
27,45
1 445
-6,0%
166 160
325
46,6%
0,0610
31,19
6,8%
1 133
18,0%
АС 500/64
553,50
30,60
1 852
148 257
268
0,0588
32,55
945
AAAC-Z-538 (ВП)
546,00
28,35
1 543
-16,7%
177 390
325
21,3%
0,0580
31,67
-2,7%
1 161
22,9%
АС 550/71
620,20
32,70
2 076
172 592
278
0,0526
32,62
1 000
AAAC-Z-635
641,00
31,50
1 858
-10,5%
205 380
320
15,1%
0,0495
31,73
-2,7%
1 288
28,8%
АС 600/72
652,20
33,20
2 170
183 835
282
0,0498
32,48
1 050
AAAC-Z-648 (ВП)
657,80
31,10
1 860
-14,3%
208 980,
318
12,7%
0,0482
31,71
-2,4%
1 300
23,8%
АС 650/79
712,90
34,70
2 372
200 451
281
0,0456
32,51
1 332
AAAC-Z-707 (ВП)
717,03
32,40
2 028
-14,5%
225 860
315
12,0%
0,0442
31,69
-2,5%
1 369
2,8%
АС 800/105
926,00
39,70
3 092
260 073
281
0,0352
32,60
1 580
AAAC-Z-928 (ВП)
943,67
36,90
2 650
-14,3%
298 930
317
12,8%
0,0336
31,71
-2,7%
1 608
1,8%
ВСЕГО:
°
°
°
до -25,2%
°
до 46,6%
°
до -11,1%
до 33,1%
Из сравнения характеристик провода AAAC-Z (ВП) предлагаемой полезной модели с известным сталеалюминевым проводом АС (Таблица 1) можно сделать вывод, что провод предлагаемой полезной модели имеет удельную массу меньше на 6÷25%, удельную прочность сравнимую или выше до 46%, удельное электрическое сопротивление меньше на 2÷11%, а пропускную способность выше на 2÷33% по сравнению с применяемым сталеалюминевым проводом, имеющим сравнимое общее сечение.
Использование в проводе предлагаемой полезной модели профилированной проволоки для получения компактной конструкции провода способствует уплотнению провода, уменьшению его диаметра и увеличению площади соприкосновения отдельных проволок между собой, что обеспечивает повышенную крутильную жесткость провода и, как следствие, снижение амплитуды колебаний при воздействии ветра и самодемпфирование провода, предотвращающее возникновение пляски проводов, приводящее к износу проводов, снижению их срока службы, к авариям на ВЛ. Полученная внешняя поверхность провода более гладкая, чем у провода, выполненного из круглых проволок, что позволяет снизить аэродинамическое сопротивление за счет меньшей площади контура провода. Меньший диаметр и гладкая поверхность провода в сочетании с крутильной жесткостью препятствуют снегоналипанию и гололедообразованию на проводах, а образующиеся отложения легче отделяются от поверхности такого провода.
Использование однородного материала в конструкции провода обеспечивает стойкость провода к коррозии. Использование конструкции провода из алюминиевого сплава без применения других конструкционных материалов позволяет снизить удельную массу провода, материалоемкость строительства ВЛ и стоимость доставки материалов на место строительства, что особенно существенно для удаленных и труднопроходимых районов энергетического строительства.
Таблица 2. Сравнение характеристик проводов AAAC-Z (ВП) с AERO-Z AAAC Z A3F
Наименование
Полное сечение провода
Диаметр провода
Масса провода
Разрывное усилие
Max предел прочности на разрыв
Электрическое сопротивление постоянному току при 20°С
Удельное электрическое сопротивление при 20°С
Максимальный рабочий токпри температуре воздуха 25°С
мм²
мм
кг
Н
Н/мм²
Ом/км
(Ом/км)⋅мм²
А
AERO-Z AAAC Z 177
179,27
16,50
506
57 070
318
0,1869
33,51
494
AAAC-Z 177-1Z (ВП)
179,27
16,50
507
0,2%
57 070
318
0,1761
31,57
-5,8%
587
18,8%
AERO-Z AAAC Z 242
246,02
18,90
688
79 960
325
0,1362
33,51
596
AAAC-Z 242-2Z (ВП)
246,00
18,90
687
-0,1%
79 960
325
0,0%
0,1286
31,64
-5,6%
709
19,0%
AERO-Z AAAC Z 261
265,70
19,60
742
86 350
325
0,1261
33,50
625
AAAC-Z 261-2Z (ВП)
265,70
19,60
742
86 350
325
0,1191
31,64
-5,6%
761
21,8%
AERO-Z AAAC Z 301
306,29
21,00
856
99 540
325
0,1094
33,51
683
AAAC-Z 301-2Z (ВП)
306,29
21,00
856
99 540
325
0,1033
31,64
-5,6%
812
18,9%
AERO-Z AAAC Z 346
351,44
22,40
982
111 270
317
0,0953
33,49
743
AAAC-Z 346-2Z (ВП)
351,44
22,40
982
111 270
317
0,0900
31,63
-5,6%
886
19,2%
AERO-Z AAAC Z 366
372,26
23,10
1 040
117 860
317
0,0900
33,50
770
AAAC-Z 366-2Z (ВП)
372,26
23,10
1 040
117 860
317
0,0850
31,64
-5,6%
915
18,8%
AERO-Z AAAC Z 455
461,73
26,10
1 313
150 060
325
0,0733
33,84
883
AAAC-Z 455-2Z (ВП)
461,73
26,10
1 306
-0,5%
150 060
325
0,0686
31,67
-6,4%
1 048
18,7%
AERO-Z AAAC Z 504
511,25
27,45
1 454
166 160
325
0,0662
33,84
941
AAAC-Z 504-2Z (ВП)
511,25
27,45
1 445
-0,6%
166 160
325
0,0610
31,19
-7,9%
1 133
20,4%
AERO-Z AAAC Z 538
545,83
28,35
1 552
177 390
325
0,0620
33,84
980
AAAC-Z 538-2Z (ВП)
546,00
28,35
1 543
-0,6%
177 390
325
0,0%
0,0580
31,67
-6,4%
1 161
18,5%
AERO-Z AAAC Z 648
657,80
31,05
1 870
208 980
318
0,0514
33,81
1 100
AAAC-Z 648-2Z (ВП)
657,80
31,10
1 860
-0,5%
208 980
318
0,0482
31,71
-6,2%
1 300
18,2%
AERO-Z AAAC Z 666
675,58
31,50
1 921
214 600
318
0,0501
33,85
1 119
AAAC-Z 666-2Z (ВП)
675,58
31,50
1 910
-0,6%
214 640
318
0,0%
0,0469
31,68
-6,4%
1 321
18,1%
AERO-Z AAAC Z 707
717,03
32,40
2 034
225 860
315
0,0472
33,84
1 161
AAAC-Z 707-2Z (ВП)
717,03
32,40
2 028
-0,3%
225 860
315
0,0442
31,69
-6,4%
1 369
17,9%
AERO-Z AAAC Z 928
943,67
36,85
2 684
298 930
317
0,0360
33,97
1 371
AAAC-Z 928-3Z (ВП)
943,67
36,90
2 650
-1,3%
298 930
317
0,0336
31,71
-6,7%
1 608
17,3%
до -1,3%
0
до -7,9%
до 22%
Из сравнения характеристик провода AAAC-Z (ВП) предлагаемой полезной модели с проводом AERO-Z AAAC Z (Таблица 2) можно сделать вывод, что провод предлагаемой полезной модели имеет удельное электрическое сопротивление меньше на 6÷8%, а пропускную способность выше на 17÷22% по сравнению с известным проводом из алюминиевого сплава при равных механических характеристиках.
Технический результат, заключающийся в снижении удельной массы и удельного электрического сопротивления, повышении удельной прочности и пропускной способности (максимально допустимого тока) по сравнению с известным сталеалюминевым проводом АС, имеющим сравнимое общее сечение обеспечивается за счет компактной конструкции и использования термообработанного алюминиевого сплава повышенной проводимости.
Технический результат, заключающийся в снижении удельного электрического сопротивления провода ВЛ и повышении его пропускной способности по сравнению с известным проводом из алюминиевого сплава при равных механических характеристиках, обеспечивается за счет того, что в проводе неизолированном для ВЛ, состоящем из сердечника, выполненного круглых проволок, а также из внутреннего проволочного и внешнего проволочного повивов, выполненных из профилированных проволок Z-образной формы, согласно полезной модели все проволоки выполнены из термообработанного алюминиевого сплава повышенной проводимости.