Автореферат: Повышение пропускной способности анализ технических решений

Повышение пропускной способности анализ технических решений

ВЛ:Колосов С.В., Рыжов С.В., Сюксин В.Е.

Аннотация

Рассмотрены провода повышенной пропускной способности: высокотемпературные провода классической конструкции производства Lumpi_Berndorf, Австрия; высокотемпературные провода с зазором производства J_Power Systems, Япония; компактные провода AERO-Z производства компании Nexans, Бельгия и высокотемпературные провода с композитным сердечником компании 3М, США. Приведены специфические особенности каждого типа проводов. Представлено сравнение технических характеристик и экономических показателей проводов повышенной пропускной способности и некоторых проводов АС по ГОСТ 839-80 [1].

Ключевые слова: высокотемпературные провода; компактные провода, повышение пропускной способности воздушных линий

провод пропускной способность

1. Введение

Известно, что в последние годы многие регионы и города России сталкиваются с проблемой ограниченной пропускной способности ЛЭП. По данным ОАО “ФСК ЕЭС” список регионов пиковых нагрузок включает 16 областей, в числе которых Московская, Ленинградская, Нижегородская, Архангельская, Волгоградская области, Краснодарский и Пермский край, республика Коми, Карелия, Тува, Дагестан и другие. Уже сегодня энергопотребление этих районов в несколько раз превышает величины, заложенные в Энергетической стратегии РФ до 2020 года, и потребление энергии в них постоянно растёт. Значительное увеличение спроса на электроэнергию за последние 10 лет требует постоянного расширения или обновления распределительных сетей энергоснабжающих предприятий.

2. Актуальность проблемы

Для удовлетворения быстрорастущих потребностей электросетевые компании вынуждены постоянно модифицировать существующие сети, применяя следующие классические методы:

- строительство дополнительных ВЛ;

- замена проводов на большие поперечные сечения;

- повышение напряжения;

- расщепление фазы.

Указанные методы хотя и применяются в настоящее время, однако имеют ряд существенных недостатков. Так, например, строительство дополнительных ВЛ требует значительных капиталовложений, временных затрат и получения разрешений на строительство. Второе направление оказывается не всегда возможным, поскольку сталеалюминевый провод большего сечения обладает и повышенной массой, что при заданных стрелах провеса, ветровых и гололёдных воздействиях создаёт повышенные нагрузки на элементы опор, на которые старые опоры часто не рассчитаны, и возникает необходимость в установке дополнительных опор ЛЭП [2]. Однако установка новых опор может обернуться серьёзными проблемами в густонаселённых районах, районах частных земель, в национальных парках, заповедниках и других зонах с запретом на строительство. Третье и четвертое направления почти всегда приводят к тем же проблемам, что и второе - возникает необходимость перестраивать всю линию.

Отсюда появляется актуальная необходимость повышения передаваемой мощности воздушных линий, по возможности, избегая строительства новых линий, полной перестройки существующих линий, подвески новых цепей и т.д.

3. Новые пути повышения пропускной способности воздушных линий и современные тенденции

В настоящее время существуют решения, не имеющие недостатков вышеописанных методов. Эти решения обеспечивают увеличение пропускной способности имеющихся линий за счёт применения специальных проводов. Такая постановка задачи привлекательна как с технической, так и с экономической точки зрения.

На сегодняшний день, выдвигаются следующие требования к современным проводам:

- максимально высокая электропроводность;

- максимально высокая механическая прочность;

- небольшая погонная масса;

- устойчивость к высоким температурам;

- малые температурные удлинения;

- устойчивость к старению и ветровым воздействиям.

Условия выполнения вышеописанных требований являются конкурирующими, поскольку, например, наилучшая прочность обеспечивается сталью, а наилучшая электропроводность и малая масса алюминием. Для получения необходимой температурной устойчивости рассматривалось применение дисперсионно-твердеющих материалов, циркониевых сплавов, композитных и других материалов, а также получением и внедрением волокон оксида алюминия.

4. Мировые фирмы - изготовители современных проводов ВЛ

На мировом рынке в сфере производства классических и специальных типов проводов выступают несколько десятков компаний. На сегодняшний день актуальные в России поставщики уже определились:

- Nexans, Бельгия;

- Lumpi-Berndorf, Австрия;

- J-Power Systems, Япония;

- 3М, США.

Провода AERO-Z компании Nexans, Бельгия

Конструктивные особенности

Одним из путей решения проблемы повышения пропускной способности является применение так называемых компактных проводов типа АERO-Z [3]. В Таблице 1 приведены сравнительные характеристики сталеалюминевого провода АС 240/56, AERO-Z 346-2Z и AERO-Z 366-2Z.

Таблица 1

Основная особенность провода АERO-Z заключается в форме проволок токопроводящих слоев - их сечение напоминает букву “Z” (см. рисунок 1).

Принципы и эффективность

Поверхность верхнего повива провода AERO-Z практически гладкая (см. Рисунок 1a), имеет незначительные винтовые канавки, возникающие между верхними кромками Z-образных проволок. За счёт этого конструкция провода AERO-Z получается более компактной по сравнению с проводом АС и при том же диаметре имеет большее сечение алюминия. За счет того, что вместо стального сердечника используются алюминиевые проволоки, провод имеет меньшую массу (см. Таблицу 1). Такие особенности влекут за собой меньшие механические напряжения в опорах в случаях применения проводов равного диаметра или позволяют увеличить полезное электропроводящее сечение при равных механических напряжениях в опорах (см. Таблицу 1).

Относительно большая контактная поверхность между двумя Z-образными проволоками одного слоя обеспечивает эффективную защиту от просачивания консистентной смазки изнутри провода. В этой связи, внутренняя защита оказывается лучше, чем у традиционных проводов АС, в которых со временем наблюдается вытеснение защитной смазки наружу под действием циклов нагрузки.

При обрыве проволоки внешнего повива провода AERO-Z остаются на месте под действием механических рабочих напряжений. Данное свойство сохраняется до тех пор, пока не происходит обрыв пяти смежных проволок.

Увеличенное самозатухание провода несколько уменьшает проблемы пляски. Вероятность появления пляски значительно ниже, и, если она возникает, её амплитуда будет значительно меньше. Хотя по этому вопросу достоверных экспериментальных данных нам не известно.

Провод AERO-Z имеет повышенную крутильную жесткость, а поэтому теоретически лучше противостоит снегу и обледенению. Обледенение происходит одностороннее и поэтому растет быстрее, а увеличение массы гололеда с одной стороны приводит к его скорейшему отрыву.

Недостатки

Гладкая поверхность провода приводит к тому, что при ветровых колебаниях аэродинамическое демпфирование провода AERO-Z существенно меньше, чем у классических проводов.

Стоимость за километр провода AERO-Z примерно в шесть раз выше по сравнению с проводом АС. В проводе AERO-Z не допускается длительного повышения температур свыше 80 ⁰С.

Провода TACSR/ACS и (Z)TACSR/HICIN компании Lumpi-Berndorf, Австрия

Увеличение пропускной способности проводов TACSR/ACS и (Z)TACSR/HACIN обеспечивается их большей рабочей температурой. Эти провода устойчивы к высокой температуре, могут в нормальных условиях продолжительное время нести более высокую токовую нагрузку, чем традиционные сталеалюминевые провода.

Конструктивные особенности.

Провода по конструкции напоминают классические провода АС: стальной сердечник и токопроводящие повивы (см. Рисунок 2).

Отличия в конструкции состоят в использованных материалах. Токопроводящие повивы высокотемпературных проводов сделаны из специального термостойкого алюминия ТАL, либо сверхтермостойкого сплава ZTAL. Проволоки сердечника выполнены из стальной проволоки, плакированной алюминием.

Принципы и эффективность

Оба сплава ТАL и ZTAL состоят из чистого алюминия с добавкой циркония, с той разницей, что сплав ZTAL имеет большее количество циркония.

Добавка циркония повышает температуру рекристаллизации основного компонента - алюминия, и, кроме того, уменьшает размер зерен при рекристаллизации. В результате, токопроводящие проволоки сохраняют все механические и электрические характеристики при достаточно больших нагревах (см. Таблицу 2).

Таблица 2

В проводах Lumpi-Berndorf в качестве материала для сердечника применяется сталь с покрытием из алюминия. Для повышения прочностных свойств и уменьшения стрел провеса в проводах (Z)TACSR/HICIN вместо простой стали применяется специальный сплав “Инвар”. Проволоки из сплава также защищаются нанесением на его поверхность алюминиевого покрытия (см. Таблицу 3).

Таблица 3

Использование термоустойчивого алюминия, как токонесущей части провода, дает возможность значительно увеличить пропускную способность, а применение супертермоустойчивого сплава еще усиливает этот эффект. В таблице 4 приведено сравнение технических характеристик различных проводов.

Таблица 4

Линии, работающие в штатном режиме при температуре проводов 150⁰С или 210⁰С, не подвержены отложению гололеда, что означает как резкое снижение вероятности возникновения пляски, так и уменьшение гололедных и ветровых нагрузок на опоры. Даже при увеличении пропускной способности в полтора раза по отношению к проводу АС, высокотемпературные провода имеют меньший диаметр, что также позволяет либо снизить нагрузку на опоры, либо увеличить пролеты линии.

Провода TACSR/ACS и (Z)TACSR/HACIN по конструкции не отличаются от классических проводов. Это позволяет использовать все известные типы арматуры: спиральную арматуру, клиновые зажимы и прессуемые зажимы. Конечно, арматура должна быть рассчитана для работы с высокотемпературными проводами.