Исследование сталеалюминевых пластически компактированных проводов для ВЛ

Page 1

Page 2

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

Исследование сталеалюминиевых
пластически компактированных
проводов для ВЛ

статье

рассмотрены

вопросы

эффективности

эксплуатации

пластически

деформи

рованных

сталеалюминиевых

проводов

для

воздушных

линий

электропередачи

(

ВЛ

Пластическое

деформирование

алюминиевых

проволок

стального

сердечника

по

зволяет

достичь

увеличения

коэффициента

заполнения

рабочего

сечения

проводов

ВЛ

значительно

более

простым

дешевым

способом

чем

применение

профилирован

ных

омега

- (

)

или

зетобразных

(Z),

или

трапециевидных

проволок

Испытания

про

веденные

2014–2019

годах

специализированных

научно

технических

лабораториях

России

Германии

показали

что

применение

пластически

деформированных

проводов

на

ВЛ

110–220

кВ

позволяет

увеличить

длины

пролетов

до

140% (

по

сравнению

класси

ческими

проводами

уменьшить

аэродинамические

(

на

20–35%)

гололедные

нагрузки

(

на

25–40%)

обеспечить

ряд

других

преимуществ

зобретение и массовое внедрение новых типов неизолиро-

ванных высокотемпературных проводов показало, что одним

из перспективных направлений улучшения их характеристик

является компактирование [1].

Начиная с 2008 года разработчиками пластически деформирован-

ных сталеалюминиевых проводов (АСВП — высокопрочного и АСВТ —

высокотемпературного) получено около 30 патентов в России, Герма-

нии, Австрии и Франции, в том числе на технологию, что подтверждает

уникальность технических решений. Технология производства данных

проводов в России освоена на предприятиях группы компаний «Север-

сталь-метиз».

КОМПАКТИРОВАНИЕ

Применение радиального пластического обжатия провода позволяет

улучшить сразу несколько характеристик: повысить точность изготов-

ления прядей по диаметру, уплотнить свивку, устранить возможную

неравномерность натяжения проволок, сформировать полосовой

контакт между проволоками, нейтрализовать свивочные напряжения,

обеспечить равномерное распределение нагрузки между составны-

ми элементами.

Дополнительное снижение габаритов провода достигается при ис-

пользовании пластического деформирования не только наружного

слоя, но и предварительного обжатия стального сердечника.

Внешняя поверхность проводов, полученных с применением та-

кой технологии, оказывается более гладкой и ровной, чем у прово-

дов, выполненных из круглых проволок, что позволяет уменьшить

нагрузку от климатических воз-

действий, значительно снизить

аэродинамическое сопротивле-

ние и пляску проводов.

Компьютерное моделирова-

ние поведения потока воздуха

вблизи провода в пакете про-

грамм COMSOL Multiphysics по-

казало, что более гладкий контур

и меньший диаметр проводов

типа АСВП позволяет снизить

ветровую нагрузку в среднем на

33% (таблица 1).

Табл. 1. Значения ветровой нагрузки на провода типов АС и АСВП

с различным контуром поперечного сечения в зависимости

от скорости воздушного потока

Скорость

, м/с

Ветровая нагрузка,

действующая на провода следующих марок, Н/м

АСВП

128/37

АС

120/19

АСВП

216/32

АС

240/34

АСВП

277/79

АС

240/56



Курьянов

к.т.н., заведующий кафедрой

«Электроэнергетика и электро-

техника» «НИУ «МЭИ»

Гуревич

д.т.н., заведующий кафедрой

Материаловедения и компози-

ционных материалов ВолгГТУ

Тимашова

к.т.н., заместитель научного

руководителя, начальник Центра

электротехнического оборудования

АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

Фокин

генеральный директор

ООО «Энергосервис»

Page 3

Измененная геометрия проволок провода улуч-

шает свойства такого провода по изгибной и кру-

тильной жесткости, стойкости к вибрации, пляске

и термоциклированию.

Сравнение сталеалюминиевых проводов тра-

диционной конструкции (типа АС) и АСВП/АСВТ

с близкими площадями стальных и алюминиевых

проволок проведено после импульсного ветрового

воздействия методом компьютерного моделиро-

вания на базе программного комплекса SIMULIA/

Abaqus.

У провода АСВП 128/36 за счет более тесного

контакта проволок начальная амплитуда и период

колебания оказалась примерно в 1,7 раза меньше,

чем у провода АС120/27 при одной и той же набран-

ной скорости изгибаемого провода при импульсном

воздействии (рисунок 1).

В то же время, даже по сравнению с проводами

из сегментных Ω- и Z-образных проволок, провода

АСВП обладают большей торсионной жесткостью,

уменьшенной вероятностью пляски и повышенной

стойкостью к вибрации, лучшим самодемпфиро-

ванием, так как, в отличие от них, имеют развитую

поверхность контакта соседних проволок не только

внутри одного повива, но и между повивами.

Для традиционных проводов типа АС характерно

значительное изменение геометрии провода в про-

цессе колебания с формированием больших рас-

стояний между проволоками, причем увеличение

внешнего размера провода происходит как в пло-

скости колебаний, так и перпендикулярно к ней.

Контакт между большинством проволок пласти-

чески обжатого провода АСВП сохраняется даже

в точках экстремумов.

СРАВНЕНИЕ

ПРОВОДОВ

МЕТОДЫ

ИСПЫТАНИЙ

Для проведения испытаний привлекались три ис-

пытательных центра ФРГ и АО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Электромеханические испытания системы «про-

вод-арматура» проведены фирмой Spie/SAG и FGH

Engineering & Test GmbH в Германии, под контролем

VDE (VDE Testing and Certiﬁ cation Institute).

Сертификация провода в ЕС успешно заверше-

на. В соответствии с регламентом, установленным

VDE, проведены комплексные испытания, в том чис-

ле в соответствии со стандартами DIN EN 50189,

DIN EN 62004, DIN EN 50540, DIN EN 62004, 48207,

62568, IEC 61284, 61854, Cigré 426, DIN EN 62568,

IEEE 1138, и др.

ИСПЫТАНИЕ

ВОЗНИКНОВЕНИЯ

КОРОННОГО

РАЗРЯДА

Испытательной лабораторией АО «НТЦ ФСК ЕЭС»,

а затем в Институте ассоциации электротехники

(VDE Testing and Certiﬁ cation Institute, Германия)

были проведены четыре исследования для тестиро-

вания этой проблемы.

Испытания проводились в соответствии с реко-

мендациями МЭК 61284 и IEC 61284: 1998. На ос-

новании результатов сравнительных испытаний

установлено, что провод АСВП 197/55 имеет напря-

жение возникновения коронного разряда (142,2 кВ)

на 5,7% выше, чем классический провод АС 185/29

(134,5 кВ) того же диаметра (18,8 мм).

Аналогичные испытания проведены для компак-

тированного провода 216/33 и классического АС

240/32 с различными диаметрами. По результатам

сравнительных испытаний провод АС 240/32 (диа-

метр 21,6 мм) и компактированный провод 216/33

(диаметр 18,5 мм) имеют одинаковое напряжение

возникновения коронного разряда. При этом дли-

тельно допустимый ток сравниваемых проводов

существенно отличается (510 А для провода AC

240/32 и 689 А для АСВП 216/33 (

= 70°C) и 1040 А

для АСВТ 216/33 (

= 150°C).

Испытательное напряжение для возникнове-

ния видимой короны на воздушных линиях 220 кВ

было определено лабораторией FGH Engineering

& Test GmbH как 167,7 кВ (фазное напряжение)

и НТЦ ФСК ЕЭС, как 160,0 кВ (фазное напряжение).

Процедура испытаний в обеих лабораториях была

одинаковой. Незначительные

различия в результатах возни-

кают из-за условий подготовки

образцов.

Исходя из уровня коронного

разряда, провод АСВП/АСВТ до-

пускает уменьшение диаметра

на 10–12%, снижая нагрузку на

все элементы ВЛ и стоимость.

Рассчитанные удельные потери

на корону для хорошей погоды

представлены в таблицах 2 и 3.

Провода типа AСВП имеют

преимущества в части меньших

потерь на корону по сравнению

с проводами типа AC того же

диаметра. Также провода AСВП

имеют соответствующие потери

от возникновения коронных раз-

рядов в отношении проводни-

ков AC с бóльшим диаметром

Рис

. 1.

Изменение

во

времени

вертикальной

координаты

свободного

торца

отрезка

проводов

АСВП

128/36

АС

120/27

при

затухающих

колебаниях

Время, с

-20

-40

-60

-80

По

ло

жение т

орца

относит

ельно исх

одног

о по оси

Y, мм

№

6 (63) 2020

Page 4

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

и подобными электрическими и механическими ха-

рактеристиками.

СНИЖЕНИЕ

ВИБРАЦИОННЫХ

ГОЛОЛЕДНЫХ

МЕХАНИЧЕСКИХ

НАГРУЗОК

НА

ОПОРЫ

ВЛ

Интенсивная гололедная нагрузка воздушных линий

электропередачи является одной из актуальных про-

блем электроэнергетики в странах с соответствую-

щими погодными условиями.

В то же время пластически деформированные

провода имеют большую торсионную жесткость, по-

вышенную виброустойчивость и способность к са-

мозатуханию колебаний даже по сравнению с про-

водниками из сегментированных Ω- и Z-образных

проволок, поскольку АСВП имеют развитую контакт-

ную поверхность соседних проволок не только вну-

три одного слоя, но и между слоями [2].

Кроме того, именно высокая торсионная жест-

кость и меньший диаметр (при том же сечении), яв-

ляются ключевыми факторами, снижающими голо-

ледообразование. Соответствующие эксперименты

проводились, в том числе, в рамках НИОКР «Россети

Урал».

Закрытая конструкция обеспечивает стабиль-

ность режима вибрации. В свою очередь, у стандарт-

ного провода влага, попавшая внутрь провода, при

замерзании способна изменить режим вибрации, на

который рассчитывались гасители.

Пластическая деформация проводов не только

значительно повышает механическую прочность, но

и в несколько раз снижает эксплуатационную вытяж-

ку (независимо от металла). Соответствующие испы-

тания изделий из различных металлов (сталь, алю-

миний, медь) проводились в АО «ВНИИЖТ» и НТЦ

ФСК ЕЭС и VDE [3].

УВЕЛИЧЕНИЕ

ДЛИНЫ

ПРОЛЕТА

ПРИ

СТРОИ

ТЕЛЬСТВЕ

НОВЫХ

ВЛ

Пластически деформированные провода позволяют

увеличить расстояние между опорами воздушной

линии до 140% от стандартных пролетов (при отсут-

ствии ограничений, связанных с трассой ВЛ), что ак-

туально при строительстве новых ВЛ.

Иллюстрацией технического решения применения

АСВП является исходный проект ВЛ 150 кВ от подстан-

ции № 53 до подстанции «Мурманская» (рисунок 2).

Провод AСВП 258/73 является наиболее эффек-

тивным вариантом при строительстве новой воздуш-

ной линии.

В свою очередь, провод AСВП 216/33 является

оптимальным вариантом при реконструкции ВЛ (за-

мене проводников на существующих опорах элек-

тропередачи в пролетах АС 240).

Табл. 2. Удельные потери на корону

в хорошую погоду (ВЛ 220 кВ)

Конструкция провода

(модель проводника, диаметр

проводника)

Изменение

среднегодовых

потерь

АС 240/32, Ø 21,6 мм

26,67%

АС 300/39, Ø 24,0 мм

0,00%

АС 330/43, Ø 25,2 мм

–13,33%

АСВП 317/47, Ø 22,3 мм

–13,33%

АСВП 295/44, Ø 21,5 мм

–6,67%

Табл. 3. Удельные потери на корону в хорошую

погоду (ВЛ 330 кВ с расщепленной фазой,

состоящей из 2 проводов с шагом 40 см)

Конструкция провода

(модель проводника, диаметр

проводника)

Изменение

среднегодовых

потерь

2 × АС 300/39, Ø 24,0 мм

18,52%

2 × АС 400/51, Ø 27,5 мм

0,00%

2 × АСВП 317/47, Ø 22,3 мм

–7,41%

2 × АСВП 295/44, Ø 21,5 мм

3,70%

Рис

. 2.

Расчетные

пролеты

для

ВЛ

150

кВ

до

ПС

Мурманская

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Высота подвеса провода, м

Длина габаритного пролета, м

АС 240/32

АСВП 258/73

АСВП 295/44

АСВП 218/63

АСВП 216/33

АСВП 214/61

Page 5

Подобные типовые «пары» эффективной альтер-

нативы проводу АС для нового строительства и ре-

конструкции разработаны для сечений 95, 120, 150,

185, 240, 300 и 400 мм

В филиале ПАО «Россети Сибирь» — АО «Тыва-

энерго» для устройства перехода через реку Енисей

для соблюдения габарита требовалась установка

высотных опор, что повлекло бы удорожание про-

екта. Техническое решение по применению провода

АСВТ с заданными механическими характеристика-

ми обеспечило соблюдение габарита при примене-

нии типовых опор.

Главной проблемой применения проводов нового

типа является отсутствие многофакторного анализа

при выборе провода.

Также абсолютно не обоснована ситуация, когда

механические характеристики грозотроса становятся

фактором, ограничивающим пролет.

ПОДДЕРЖАНИЕ

НЕОБХОДИМОЙ

ПРОПУСКНОЙ

СПОСОБНОСТИ

ВЛ

ЗОНАХ

ВЫСОКОЙ

ТЕМПЕРАТУРОЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДЫ

Атмосферный нагрев провода до 60–70°С приводит

к падению пропускной способности и, как следствие,

к необходимости увеличить сечение, а значит и за-

траты. Высокотемпературный провод AСВТ спосо-

бен выдержать большую нагрузку при равных усло-

виях окружающей среды по сравнению с проводом

AC (рисунок 3).

Длительно допустимый ток для АСВТ на 30–50%

превышает значение для стандартного провода того

же диаметра. Однако в случае с АСВТ это не связано

с многократным ростом стоимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование пластически деформированных про-

водов и грозотросов при новом строительстве и ре-

конструкции ВЛ 35–750 кВ позволяет существенно

повысить надежность электросетей при воздействии

всего диапазона климатических нагрузок, снизить ка-

питальные и эксплуатационные затраты.

Рис

. 3.

Зависимость

токовой

нагрузки

от

температуры

окружающей

среды

для

проводов

СВП

одинаковым

диаметром

при

скорости

ветра

1,2

слева

—

теоретическая

модель

справа

—

экспериментальное

подтвержде

ние

испытательном

центре

Германии

Наиболее перспективные направления примене-

ния провода АСВП(Т) на ВЛ в следующих условиях:

– в областях со значительными ветровыми/голо-

ледными нагрузками;

– при наличии протяженных анкерных участков;

– для больших переходов, позволяя снизить высоту

опор;

– для ВЛ с возможностью возникновения перегру-

зок в период поставарийных режимов;

– при построении, реконструкции и замене провода

в кольцевых схемах (в этом случае перспективно

высокотемпературное исполнение, особенно рас-

сматривая сопоставимую с АС стоимость);

– в районах с высокими температурами воздуха

и солнечной активностью;

– при реконструкции действующих линий, на ста-

рых опорах;

– на ВЛ, выполненных на высотных опорах.

Целесообразно интегрированное использование

провода марок АСВП и АСВТ с грозозащитным тро-

сом МЗ (или ОКГТ) из-за сопоставимости механиче-

ских характеристик.

Испытания в НТЦ ФСК ЕЭС и в трех независимых

исследовательских лабораториях Германии показа-

ли ряд технических преимуществ:

– уменьшение потерь электроэнергии на корону;

– уменьшение аэродинамической нагрузки (на

20–35%) и самогашение колебаний;

– снижение гололедообразования (на 25–40%)

снижение

эксплуатационной

вытяжки

в 4 раза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Working Group B2.26 SIGRE. Guide for qualifying high temperature

conductors for use on overhead lines. Technical Brochure nr 426,

August 2010.

2. Гуревич Л.М., Даненко В.Ф., Проничев Д.В., Трунов М.Д. Мо-

делирование электромагнитных потерь в различных стале-

алюминиевых проводниках // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача

и распределение, 2014, № 5(26). С. 68–71.

3. Лопарев В.В., Образцов Ю.В. Об особенностях современных

изолированных проводов для воздушных линий электропере-

дачи // Кабели и провода, 2014, № 6(349). С. 9–15.

Температура воздуха, °C

1000/

, 1/К

1000 000

100 000

10 000

1000

100

350 400

400

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

-30

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

-10

-20

доп

, А

max

= 150 °С

АСВТ 258/73
АС 240/39

max

= 80 °С

Время, ч

АТ1, АТ2
АТ3
АТ4

400°С

280°С

230°С

310°С

240°С

180°С

150°С

210°С

230°С

№

6 (63) 2020

Оригинал статьи: Исследование сталеалюминевых пластически компактированных проводов для ВЛ

Читать онлайн

В статье рассмотрены вопросы эффективности эксплуатации пластически деформированных сталеалюминиевых проводов для воздушных линий электропередачи (ВЛ). Пластическое деформирование алюминиевых проволок и стального сердечника позволяет достичь увеличения коэффициента заполнения рабочего сечения проводов ВЛ значительно более простым и дешевым способом, чем применение профилированных омега- (Ω) или зетобразных (Z), или трапециевидных проволок. Испытания, проведенные в 2014–2019 годах в специализированных научно-технических лабораториях России и Германии, показали, что применение пластически деформированных проводов на ВЛ 110–220 кВ позволяет увеличить длины пролетов до 140% (по сравнению с классическими проводами), уменьшить аэродинамические (на 20–35%) и гололедные нагрузки (на 25–40%) и обеспечить ряд других преимуществ.