68
АНАЛИТИКА
СЕТИ РОССИИ
68
в
о
з
д
у
ш
н
ы
е
Л
Э
П
воздушные ЛЭП
Моделирование
электромагнитных потерь в
сталеалюминиевых проводах
различной конструкции
Леонид ГУРЕВИЧ, заведующий кафедрой, доцент, д.т.н.,
Владимир ДАНЕНКО, заместитель заведующего кафедрой, доцент, к.т.н.,
Дмитрий ПРОНИЧЕВ, доцент кафедры, к.т.н.,
Михаил ТРУНОВ, аспирант,
Волгоградский государственный технический университет
Р
азвитие
промышленно
-
сти
и
социальной
сферы
приводит
к
постоянно
-
му
росту
потребления
электроэнергии
,
что
в
густонасе
-
лённых
районах
может
быть
обе
-
спечено
[1]
только
за
счёт
увели
-
чения
пропускной
способности
уже
существующих
воздушных
линий
(
ВЛ
).
Эту
проблему
решают
созданием
имеющих
более
высо
-
кую
стоимость
конструкций
прово
-
дов
с
увеличенным
токоведущим
сечением
или
с
повышенными
рабочими
температурами
,
харак
-
теристики
которых
выше
,
чем
у
классических
сталеалюминевых
проводов
АС
.
Анализ
отказов
элементов
ВЛ
показывает
[2],
что
нарушения
,
связанные
с
выходом
из
строя
проводов
и
грозозащитных
тро
-
сов
,
составляют
от
40
до
55%
от
общего
количества
всех
наруше
-
ний
и
увеличиваются
на
≈
3—5%
в
год
.
Основными
причинами
по
-
вреждения
являются
гололёдные
нагрузки
,
износ
от
действия
ви
-
брации
,
пляски
и
коррозии
.
Поэто
-
му
при
оптимизации
конструкции
проводов
необходимо
учитывать
не
только
пропускную
способ
-
ность
и
эксплуатационные
поте
-
ри
(
нагрев
проводов
из
-
за
их
ак
-
тивного
сопротивления
,
затраты
на
перемагничивание
стального
сердечника
,
потери
при
коронных
разрядах
),
но
и
эксплуатационную
прочность
в
различных
климати
-
ческих
условиях
.
По
мнению
разработчика
новых
проводов
[3],
высокий
уровень
потерь
в
российских
электросетях
определяется
не
только
изношенностью
электро
-
сетевого
оборудования
,
но
и
устаревшей
нормативной
базой
,
регламентирующей
производство
проводов
.
Рассмотрим
тормозя
-
щее
действие
нормативной
базы
на
примере
разработанного
ООО
«
Энергосервис
»
и
ОАО
«
Север
-
сталь
»
нового
класса
проводов
с
повышенными
прочностью
и
пропускной
способностью
—
пла
-
стически
обжатых
высокопрочных
проводов
АСВП
[4, 5],
прошедших
аттестацию
в
межведомственной
комиссии
ОАО
«
ФСК
ЕЭС
».
Прово
-
да
АСВП
обладают
существенно
большими
прочностью
и
токовой
пропускной
способностью
по
сравнению
с
проводами
АС
,
что
достигнуто
повышением
конструк
-
тивной
плотности
проводов
за
счёт
последовательного
пластического
обжатия
сердечника
и
токоведу
-
щих
повивов
после
свивки
[5].
В
отличие
от
проводов
с
высоким
процентом
заполнения
сечения
за
счёт
использования
профили
-
рованной
проволоки
,
в
пластиче
-
69
№
5 (26),
сентябрь
–
октябрь
, 2014
69
ски
обжатых
проводах
используют
традиционные
круглые
алюминие
-
вые
проволоки
,
а
при
пластическом
обжатии
достигается
более
высо
-
кая
плотность
заполнения
сечения
,
чем
при
сборке
профилированных
.
Пластическая
деформация
со
сте
-
пенью
обжатия
площади
попереч
-
ного
сечения
провода
8—9%
не
допускает
раскручивания
провода
и
взаимного
смещения
элементов
под
действием
растягивающих
сил
,
приводит
за
счёт
наклёпа
к
повыше
-
нию
прочности
алюминиевых
про
-
волок
до
2
раз
,
а
разница
в
удель
-
ной
электропроводности
мягкого
АМ
и
наклёпанного
АТ
алюминия
не
превышает
1% [6].
Затраты
на
про
-
вода
АСВП
и
переоборудование
ВЛ
для
них
незначительно
превышают
аналогичные
затраты
при
использо
-
вании
проводов
АС
,
но
повышение
пропускной
способности
(
от
не
-
скольких
десятков
до
нескольких
сот
процентов
)
и
прочности
перекры
-
вает
дополнительные
затраты
,
сни
-
жает
нагрузки
на
опоры
,
тяжение
,
ветровую
и
гололёдную
нагрузки
и
в
конечном
итоге
повышает
надёж
-
ность
ВЛ
.
Меньший
диаметр
прово
-
дов
АСВП
по
сравнению
с
провода
-
ми
АС
той
же
прочности
позволяет
снизить
:
пляску
проводов
,
аэроди
-
намический
коэффициент
,
уровень
внутренней
коррозии
в
прово
-
де
,
уровень
усталости
металла
в
проводе
,
возможность
об
-
леденения
и
налипания
снега
на
почти
цилиндрическую
на
-
ружную
поверхность
провода
.
В
работе
[7]
эксперименталь
-
но
доказано
,
что
жёсткость
на
кручение
компактных
про
-
водов
выше
крутильной
жёст
-
кости
традиционных
даже
при
близких
значениях
диа
-
метров
.
По
многим
своим
ха
-
рактеристикам
провод
АСВП
близок
к
эксплуатационным
свойствам
компактных
про
-
водов
Aero-Z
или
ACSS/TW
[8]
при
значительно
более
низкой
стоимости
.
Следует
отметить
высо
-
кую
грозостойкость
проводов
АСВП
вследствие
протяжён
-
ного
контакта
значительной
площади
между
витками
алю
-
миниевой
проволоки
,
первый
и
второй
повивы
которой
вы
-
полнены
с
линейным
каса
-
нием
проволок
.
Конструкции
с
линейным
касанием
широко
ис
-
пользуются
в
грузоподъёмных
тро
-
сах
,
их
основное
преимущество
перед
канатами
с
точечным
кон
-
тактом
заключается
в
сочетании
гибкости
с
высокими
износостой
-
костью
и
прочностью
[9].
Однако
в
соответствии
с
п
. 2.3.
ГОСТ
839-80
«
Провода
неизолированные
для
воздушных
линий
электропередачи
.
Технические
условия
»
скрутка
пови
-
вов
должна
проводиться
в
противо
-
положные
стороны
.
В
ПУЭ
-7 [10]
нет
прямого
указания
на
направления
свивки
многопроволочных
прово
-
дов
,
но
,
в
соответствии
с
п
. 2.5.78,
«
для
снижения
потерь
электроэнер
-
гии
на
перемагничивание
стальных
сердечников
в
сталеалюминиевых
проводах
…
рекомендуется
при
-
менять
провода
с
чётным
числом
повивов
алюминиевых
проволок
».
Снижение
потерь
на
перемагничи
-
вание
при
чётном
числе
повивов
возможно
только
при
свивке
прово
-
лок
в
противоположные
стороны
.
Таким
образом
,
использование
проводов
со
свивкой
в
одном
на
-
правлении
с
линейным
касанием
проволок
,
обеспечивающих
сочета
-
ние
гибкости
,
высоких
износостой
-
кости
и
прочности
и
,
следователь
-
но
,
позволяющих
резко
уменьшить
выход
из
строя
проводов
,
не
реко
-
мендуется
только
из
-
за
вероятности
повышенных
потерь
на
перемагни
-
чивание
стальных
сердечников
.
Проведём
ориентировочную
оценку
возможных
величин
потерь
по
методике
[11],
по
которой
при
передаче
переменного
тока
необ
-
ходимо
учитывать
поверхностный
эффект
и
магнитные
потери
в
сталь
-
ном
сердечнике
.
Выделяющиеся
в
проводе
тепловые
потери
P
не
пре
-
вышают
Р
=
k
п
∙
k
м
∙
R
20
∙
I
д
2
, (1)
где
k
п
—
зависящий
от
конструк
-
ции
провода
коэффициент
,
учиты
-
вающий
поверхностный
эффект
для
переменного
тока
(
k
п
= 1,0—1,05);
k
м
—
коэффициент
потерь
на
пере
-
магничивание
,
зависящий
от
ко
-
личества
и
направления
повивов
алюминия
;
R
20
—
сопротивление
провода
постоянному
току
при
20
о
С
;
I
д
—
допустимый
ток
.
Методи
-
ка
[11]
рекомендует
принимать
для
одного
слоя
алюминия
значения
k
м
= 1,15,
а
для
двух
слоев
—
k
м
=
1,04.
Провода
марки
АСВП
с
двумя
слоями
алюминия
по
потерям
на
перемагничивание
должны
быть
аналогичны
проводам
АС
с
одним
повивом
алюминия
,
поэтому
сум
-
марные
расчётные
потери
в
АСВП
превышают
потери
в
проводе
АС
с
двумя
слоями
алюминия
на
10,5%.
Однако
приведённые
в
[11]
значения
коэффициента
k
м
практически
не
учитывают
реальную
конструкцию
ста
-
леалюминиевого
провода
.
Для
определения
воз
-
можного
диапазона
потерь
моделировалось
методом
конечных
элементов
про
-
хождение
переменного
тока
через
отрезок
сталеалюми
-
невого
провода
с
7
стальны
-
ми
проволоками
(
диаметры
недеформированных
прово
-
лок
2,7
и
2,55
мм
)
и
28
алю
-
миниевыми
проволоками
в
двух
повивах
(
диаметры
1,95
и
2,8
мм
)
четырёх
раз
-
личных
конструкций
(
рис
. 1):
•
недеформированный
про
-
вод
,
в
котором
направление
свивки
в
каждом
следующем
повиве
меняется
на
проти
-
воположное
(
вариант
1);
•
недеформированный
про
-
вод
с
постоянным
направ
-
лением
и
шагом
свивки
во
всех
повивах
(
вариант
2);
70
СЕТИ РОССИИ
•
пластически
обжатый
провод
,
в
котором
направление
свивки
в
каждом
следующем
повиве
меняется
на
противоположное
(
вариант
3);
•
пластически
обжатый
провод
с
постоянным
направлением
и
шагом
свивки
во
всех
повивах
(
вариант
4).
Вариант
4
наиболее
близок
к
конструкции
проводов
АСВП
.
Шаг
свивки
всех
повивов
прини
-
мался
равным
160
мм
.
В
вариантах
1
и
2
электрический
контакт
между
алюминиевыми
проводами
отсут
-
ствовал
,
а
в
вариантах
3
и
4
пре
-
небрегали
влиянием
загрязнений
и
оксидных
плёнок
на
контактных
по
-
верхностях
алюминиевых
проволок
на
межвитковое
прохождение
тока
.
Для
моделирования
исполь
-
зовали
пакет
программ
Comsol
Multiphysics
с
модулями
Magnetic
Fields
и
Heat Transfer in Solids
.
Из
-
за
отсутствия
градиента
температур
вдоль
оси
провода
теплопередачей
в
этом
направлении
пренебрегали
.
Для
моделирования
нагрева
ис
-
пользовали
следующие
зависимо
-
сти
:
•
закон
Ампера
-
Максвелла
— (j
ωσ
-
ω
2
ε
0
ε
r
)
A +
∙
(
μ
0
-1
μ
r
-1
∙
A - M)
= J
e
,
(2)
где
A
—
векторный
потенциал
электромагнитного
поля
,
M
—
век
-
тор
намагниченности
,
j
—
плотность
тока
,
σ
—
электропроводность
,
ω
—
угловая
частота
,
ε
0
и
μ
0
—
диэлек
-
трическая
и
магнитная
проницае
-
мости
вакуума
,
J
e
—
плотность
тока
от
внешних
источников
,
ε
r
и
μ
r
—
относительная
диэлектрическая
и
магнитная
проницаемость
среды
,
—
оператор
Набла
;
•
ток
,
текущий
по
проводам
:
=
∫
J
e
dS
, (3)
где
S
—
площадь
нормального
сечения
элемента
(
сила
проходя
-
щего
переменного
тока
— 690
А
,
частота
— 50
Гц
);
•
стационарное
уравнение
тепло
-
проводности
:
ρС
p
∂
T
/
∂
t
=
∙
(
k T
) + Q, (4)
где
ρ
и
С
p
—
соответственно
плотность
и
теплоёмкость
мате
-
риала
,
Q
—
мощность
внутренних
источников
теплоты
,
складыва
-
ющаяся
из
индуктивных
потерь
Q
I
и
потерь
на
сопротивление
Q
R
,
T
—
температура
,
t
—
время
,
k
—
коэффициент
теплопроводности
;
•
тепловой
поток
на
внешних
гра
-
ницах
кабеля
:
q
=
α
(
T
вн
-
Т
), (5)
где
α
—
коэффициент
тепло
-
отдачи
,
зависящий
от
ряда
фак
-
торов
(
скорость
и
направление
ветра
,
интенсивность
конвектив
-
ных
потоков
,
степень
черноты
провода
и
др
.),
T
вн
—
температура
окружающего
провод
воздуха
и
,
соответственно
,
начальная
тем
-
пература
сталеалюминевого
про
-
вода
(
принята
20
о
С
).
Нагрев
под
действием
солнечного
излучения
не
учитывался
.
Рис
. 2.
Распределение
нормальной
плотности
магнитного
потока
(
Т
л
)
в
поперечном
сечении
сталеалюминевых
проводов
:
а
—
вариант
1
б
—
вариант
2
в
—
вариант
3
г
—
вариант
4
Рис
. 1.
Сталеалюминевые
провода
четырёх
моделируемых
конструкций
а
—
вариант
1
б
—
вариант
2
в
—
вариант
3
г
—
вариант
4
71
№
5 (26),
сентябрь
–
октябрь
, 2014
На
рис
. 2
показано
полученное
при
моделировании
распределение
нормальной
плотности
магнитного
потока
(
Т
л
)
в
поперечном
сечении
сталеалюминевых
проводов
во
всех
вариантах
.
Пластическое
обжатие
с
форми
-
рованием
электрических
контактов
высокой
проводимости
и
измене
-
ние
направления
свивки
проводов
при
выбранном
шаге
практически
не
приводили
к
изменению
визу
-
ализации
величины
и
характера
распределения
нормальной
плот
-
ности
магнитного
потока
(
рис
. 2).
Модуль
Magnetic Fields
пакета
Comsol
позволяет
численно
опре
-
делять
величины
выделяющегося
при
прохождении
переменного
тока
тепла
в
элементах
провода
за
счёт
электромагнитных
процессов
(
табл
.).
Как
видно
из
таблицы
,
измене
-
ние
направления
свивки
практи
-
чески
не
изменяет
величину
вы
-
деляющейся
теплоты
в
элементах
сталеалюминиевого
провода
,
а
ис
-
пользование
пластического
обжа
-
тия
с
образованием
электрических
контактов
высокой
проводимости
между
проволоками
приводит
к
сни
-
жению
тепловыделений
в
алюминии
на
1%,
а
в
железе
—
на
10%.
Следо
-
вательно
,
электрические
потери
в
проводах
типа
АСВП
,
по
меньшей
мере
,
не
превышают
потерь
в
про
-
водах
АС
.
ВЫВОДЫ
1.
Проведённое
методом
ко
-
нечных
элементов
моделирование
прохождения
переменного
тока
по
сталеалюминевым
проводам
раз
-
личной
конструкции
показало
,
что
направление
свивки
алюминиевых
проволок
при
чётном
количестве
повивов
практически
не
влияет
на
выделение
теплоты
в
стальном
сер
-
дечнике
.
2.
Формирование
электрических
контактов
высокой
проводимости
между
проволоками
в
результате
пластического
обжатия
позволяет
снизить
на
10%
тепловыделение
в
стальном
сердечнике
сталеалюми
-
невых
проводов
типа
АСВП
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Повышение
пропускной
способ
-
ности
ВЛ
:
анализ
технических
решений
/
С
.
В
.
Колосов
,
С
.
В
.
Рыжов
,
В
.
Е
.
Сюксин
//
Энерге
-
тик
:
Производственно
-
массо
-
вый
журнал
. — 2011. —
№
1. —
с
. 18—22.
2.
Яковлев
Л
.
В
.
Комплекс
работ
и
предложений
по
повышению
надёжности
ВЛ
на
стадии
про
-
ектирования
и
эксплуатации
/
Л
.
В
.
Яковлев
,
Р
.
С
.
Кавери
-
на
,
Л
.
А
.
Дубинич
.
Сборник
до
-
кладов
Третьей
Российской
научн
.-
практ
.
конф
.
с
междуна
-
родным
участием
«
Линии
элек
-
тропередачи
2008:
проекти
-
рование
,
строительство
,
опыт
эксплуатации
и
научно
-
тех
-
нический
прогресс
».
Ново
-
сибирск
, 3—5
июня
2008
г
. —
Новосибирск
, 2008. —
с
. 28—49.
3.
Федоров
Н
.
А
.
Энергоэффектив
-
ное
решение
с
проводом
нового
поколения
АССС
™
на
примере
реконструкции
ВЛ
110
кВ
//
Сб
.
докладов
международной
науч
-
но
-
практической
конференции
«
Опоры
для
«
умных
»
сетей
:
про
-
ектирование
и
реконструкция
».
РФ
,
С
.-
Пб
. — 2013.
4.
Колосов
С
.
В
.
Новое
поколение
проводов
ВЛ
:
пластически
де
-
формированные
провода
/
С
.
В
.
Колосов
,
В
.
А
.
Фокин
//
ЭЛЕК
-
ТРОЭНЕРГИЯ
.
Передача
и
рас
-
пределение
. — 2014. —
№
1. —
с
. 90—92.
5.
П
.
м
. 132241
РФ
МПК
Н
01
В
5/08
Сталеалюминевый
провод
для
воздушной
линии
электропере
-
дачи
/
В
.
А
.
Фокин
,
А
.
К
.
Власов
,
В
.
В
.
Петрович
,
А
.
В
.
Звягинцев
,
В
.
И
.
Фролов
.
Опубл
.: 10.09.2013.
бюл
.
№
25.
6.
Справочник
по
электротехни
-
ческим
материалам
.
Том
3 /
Под
ред
.
Ю
.
В
.
Корицкого
,
В
.
В
.
Пасынкова
,
Б
.
М
.
Тареева
—
Л
.:
Энергоатомиздат
, 1988. —
728
с
.
7.
Назим
Я
.
В
.
Исследования
кру
-
тильной
жёсткости
проводов
для
воздушных
линий
электропере
-
дачи
/
Я
.
В
.
Назим
//
Металли
-
ческие
конструкции
. 2011,
т
. 17,
№
3. —
с
. 199—215.
8.
Алексеев
Б
.
А
.
Повышение
про
-
пускной
способности
воздуш
-
ных
линий
электропередачи
и
применение
проводов
новых
марок
/
Б
.
А
.
Алексеев
// «
ЭЛЕК
-
ТРО
.
Электротехника
,
электро
-
энергетика
,
электротехническая
промышленность
», 2009,
№
3. —
c. 45—50.
9.
Бузуев
И
.
И
.
Обеспечение
без
-
опасной
эксплуатации
механиз
-
мов
подъёма
грузоподъёмных
машин
. —
Самара
:
Самарский
государственный
технический
университет
, 2012. — 88
с
.
10.
УСТРОЙСТВА
ЭЛЕКТРОУСТАНО
-
ВОК
ПУЭ
.
Издание
седьмое
.
Утверждены
приказом
Мин
-
энерго
России
от
08.07.2002,
№
204.
11.
СТО
56947007-29.240.55.143-
2013.
Методика
расчёта
пре
-
дельных
токовых
нагрузок
по
условиям
сохранения
механиче
-
ской
прочности
проводов
и
до
-
пустимых
габаритов
воздушных
линий
.
Стандарт
организации
.
Дата
введения
: 13.02.2013.
ОАО
«
ФСК
ЕЭС
», 2013.
Показатель
Моделируемая
конструкция
вариант
1
вариант
2
вариант
3
вариант
4
Плотность
тока
,
А
/
м
2
:
в
алюминиевых
проводах
4866793
4866920
4842958
4842868
в
стальном
сердечнике
560239
561195
534405
534772
Вектор
электрического
смещения
,
С
/
м
2
:
в
алюминиевых
проводах
2,51×10
-13
2,70×10
-13
4,03×10
-13
5,75×10
-13
в
стальном
сердечнике
1,31×10
-11
1,32×10
-11
1,45×10
-11
1,39×10
-11
Выделение
электромагнитной
теплоты
,
Вт
/
м
3
:
в
алюминиевых
проводах
в
стальном
сердечнике
509763
43389
509791
43535
504176
39486
504157
39534
Табл
.
Расчётные
электрические
характеристики
моделируемых
проводов
Оригинал статьи: Моделирование электромагнитных потерь в сталеалюминиевых проводах различной конструкции
Развитие промышленности и социальной сферы приводит к постоянному росту потребления электроэнергии, что в густонаселённых районах может быть обеспечено только за счёт увеличения пропускной способности уже существующих воздушных линий (ВЛ). Эту проблему решают созданием имеющих более высокую стоимость конструкций проводов с увеличенным токоведущим сечением или с повышенными рабочими температурами, характеристики которых выше, чем у классических сталеалюминевых проводов АС.
