Авторы: Гуревич Л.М., Даненко В.Ф., Проничев Д.В., Трунов М.Д.
Волгоградский государственный технический университет

Наряду со стандартными волоконно-оптическими кабелями (ВОК) передачи информации, выполненными диэлектрическими самонесущими кабелями, широкое применение получили грозозащитные тросы, выполненные из стальных проволок с различными покрытиями, содержащие модуль из нержавеющий стали, в котором в полужидком гидрофобном геле располагаются оптические волокна (ОКГТ). Подобная конструкция обеспечивает необходимую механическую прочность и является продуктом двойного назначения: выполняет традиционную функцию защиты линии электропередачи от ударов молнии и используется как кабель связи и передачи данных. ОКГТ должны удовлетворять традиционным требованиям, предъявляемым ОАО «ФСК ЕЭС» к грозозащитным тросам: механическая прочность, коррозионная стойкость, устойчивость к разрядам молнии, эоловой вибрации, пляске, а также стойкость к токам короткого замыкания (КЗ).
Используемая в повивах ОКГТ стальная проволока должна быть защищена от коррозии, поэтому применяются цинковые или алюминиевые покрытия, существенно более устойчивые к окислению, чем стальной сердечник. Стойкость к коррозии и удельная электропроводность алюминиевого покрытия несколько выше, чем цинкового, однако такие покрытия обладают и рядом недостатков. Контакт нержавеющей стали и алюминия при эксплуатации на открытом воздухе становится причиной активной коррозии: выпадающие из атмосферы соли и химические загрязнения на поверхности металла выступают в качестве электролита и приводят к ускоренному разрушению алюминия. Поэтому в международном стандарте IEEE-1138-2009 для зон с повышенной коррозионной активностью, к которым можно отнести все промышленные и густонаселенные районы, совместное использование в ОКГТ оптического модуля из нержавеющей стали и проволок с алюминиевым покрытием запрещено.

Кроме того, при сравнительных испытаниях на стойкость к удару молнии зарядом до 110 Кл, проведенных на испытательном стенде «Генератор тока молнии четырехкомпонентный» (ГТМ-4) в МЭИ при одинаковых растягивающих усилиях, наибольшие повреждения получил грозозащитный трос из стальной проволоки, плакированной алюминием.

При использовании ОКГТ возникает необходимость расчета его термической прочности, причем должны обеспечиваться не только остаточная механическая прочность троса, но и эффективный отвод тепла от оптического модуля. Правила проектирования волоконно-оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи требуют анализа термической стойкости оптического грозозащитного троса при воздействии токов КЗ.

При анализе термической стойкости ОКГТ проводили расчеты:
нестационарного магнитного поля, вызванного импульсом переменного тока частотой 50 Гц и длительностью до 1 с, с целью получения распределения плотности тока в каждом из проводников троса в зависимости от времени;
нестационарного температурного поля, использующего в качестве источника теплоты джоулевы потери.

При моделировании использовали модули Magnetic Fields и Heat Transfer in Solids лицензионного пакета программ COMSOL Multiphysics, способного решать дифференциальные уравнения в частных производных.

Для моделирования применяли схему грозозащитного троса марки ОКГТ 11,0/Е1(12)-С-МЗ—В-ОЖ-МК-Н-Р-180 (трос молниезащитный диаметром 11,0 мм со встроенным оптическим кабелем связи), выпускаемого по техническим условиям ТУ СТО 71915393-ТУ 113-2013 (рис. 1).

Рис. 1 Расчетная схема термической стойкости ОКГТ: 1 - воздух; 2 – стальная проволока; 3 – центральная трубка; 4 – оптические волокна в гидрофобном геле; 5 – линия, вдоль которой приведены данные на рис. 2

В процессе термического анализа сравнивали четыре возможных варианта покрытия поверхности стальной проволоки:
стальные проволоки с цинковым покрытием группы ОЖ (соответствует реально выпускаемому ОАО «Северсталь-метиз» ОКГТ по СТО 71915393-ТУ 113-2013);
стальные проволоки без покрытия;
стальные проволоки с алюминиевым покрытием, толщина которого соответствует цинковому покрытию группы ОЖ;
стальные проволоки с алюминиевым покрытием с объемным содержанием алюминия до 25%.

Результаты моделирования были верифицированы по экспериментальным данным натурных испытаний ОКГТ в Испытательном центре высоковольтной аппаратуры ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», показавшими, что при прохождении тока короткого замыкания 4,3 кА в течение 1с температура троса повышалась в среднем на 88С.

Установлено, что в грозозащитном тросе из стальных проволок без покрытия плотность тока в проводах повышается по мере удаления от оси троса, что и приводит к заметному росту температуры в проволоках наружного повива (рис. 2). Использование цинкового или алюминиевого покрытия приводит к преимущественному протеканию тока в них (плотность тока в этих покрытиях соответственно в 4 и 9 раз превышает плотность тока в сердечнике из углеродистой стали). Различие в плотности тока в покрытиях проволок наружного и внутренних повивов несущественно. При величине тока КЗ Jкз=4,3 кА через t = 1 c использование цинкового покрытия позволило снизить температуру в районе оптического модуля на 35 оС, а в наружном повиве – на 83 оС. Применение алюминиевого покрытия толщиной 20 мкм с повышенной электропроводностью позволяет дополнительно снизить температуру в районе оптического модуля на 15 оС, однако в случае как цинкового, так и алюминиевого покрытия значения температур лежат в безопасном диапазоне и не приводят к ухудшению оптических свойств оптоволокна. Увеличение при моделировании толщины алюминиевого покрытия до объемного содержания 25 % обеспечивало при выбранном значении тока Jкз=4,3 кА повышение температуры только до 52 оС. Такое объемное содержание алюминия является избыточным с точки зрения обеспечения температурной стабильности при токе Jкз=4,3 кА и целесообразно только при токах Jкз=6,2-6,3 кА.

Рис. 2. Распределение температуры в ОКГТ вдоль линии, показанной на рис.1 при токе КЗ Jкз=4,3 кА через 1 c: 1 – стальные проволоки без покрытия, 2 – цинковое покрытие, 3 и 4 – алюминиевое покрытие, толщиной соответственно 20 и 260 мкм 1,0 с

При выборе материала покрытия проволок ОКГТ зачастую не анализируется зависимость активного удельного сопротивления троса от вида покрытия. Для рассматриваемого ОКГТ при использовании стальных проволок без покрытия значение сопротивления постоянному току R = 3,1 ом/км, с цинковым покрытием R = 2,2 ом/км, с алюминиевым покрытием толщиной 20 мкм R = 1,9 ом/км. Снижение активного сопротивления постоянному току грозозащитного троса при замене цинкового покрытия на алюминиевое неизбежно приведет к росту вынужденной и активной составляющих тока КЗ, что может нивелировать определяемые при лабораторных исследованиях и моделировании более низкие значения температурных полей в грозотросе из стальных проволок с алюминиевым покрытием по сравнению с цинковым покрытием.
Проведена оценка изменения прочностных характеристик и критической стрелы провисания для ОКГТ по СТО 71915393-ТУ 113-2013 в случае замены стальной оцинкованной проволоки маркировочной группы 1770 МПа на стальную алюминированную с объемным содержанием алюминия 25%. Расчетная площадь сечения всех проволок в существующей конструкции ОКГТ составляет 83,59 мм2, ориентировочная масса 1000 м смазанного грозотроса 695 кг и суммарное разрывное усилие всех проволок – не менее 147 кН. После изменения покрытия масса ОКГТ снижается до 515 кг. Временное сопротивление разрыву алюминированной стальной проволоки σбим, рассчитанное по принципу аддитивности, составляет 1342 МПа, а суммарное разрывное усилие всех проволок не более 112 кН.
При использования ОКГТ в районах России третьих групп по ветровому давлению (1 раз в 25 лет ветровое давление до 0,67 кПа) и по гололеду (1 раз в 25 лет нормативная толщина стенки гололеда до 20 мм) расчет в соответствии с ПУЭ-7 приводит к следующим значениям погонных и удельных нагрузок (табл. 1)

При длине пролета l=300 м минимально допустимая стрела провисания в условиях действия ветровой и гололедной нагрузок при допустимых напряжениях в грозозащитном тросе, равных 50% временного сопротивления разрыву используемой проволоки, составляет 8,15 м для ОКГТ из оцинкованного стального провода и 10,46 м для ОКГТ из алюминированного стального провода. Таким образом, использование при изготовлении ОКГТ алюминированной проволоки с высоким объемным содержанием алюминия приводит к значительному снижению несущей способности троса, не компенсируемой уменьшением его погонной массы.
Выводы
1. Разработана методика моделирования распределения плотности тока и температуры по сечению ОКГТ, выпускаемого по ТУ СТО 71915393-ТУ 113-2013, верифицированная по результатам натурных испытаний в ИЦ ВА ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».
2. Использование стальных проволок с цинковым покрытием в ОКГТ с пластически деформированным наружным слоем позволило при прохождении гарантируемого тока КЗ 4,3 кА в течение 1 с снизить температуру на поверхности оптического модуля на 35 С по сравнению с тросом из стальных проволок без покрытия. Полученные значения температур не приводят к ухудшению оптических свойств оптоволокна.
3. Алюминиевое покрытие проволок позволяет дополнительно снизить температуру, но его применение сопряжено с рядом негативных факторов: низкая коррозионная стойкость алюминированного покрытия в зоне контакта с нержавеющей трубкой оптического модуля; низкая стойкость грозозащитных тросов с алюминиевым покрытием при ударах молнии.
4. При выборе вида защитного покрытия стальных проволок необходимо учитывать не только возможное изменение температурных полей в ОКГТ при одинаковых значениях тока КЗ, но и зависимость его величины от удельного сопротивления грозозащитного троса, а также стойкость к воздействию тока молнии, коррозионную стойкость и несущую способность троса.

Литература
1. Трофимов, Б. Особенности выбора оптического кабеля для воздушных линий электропередачи

Б. Л. Трофимов, Д. М. Инденбаум

Энергетика и промышленность России, 2012, № 12 (200). – С.29.
2. Исследование стойкости грозозащитных тросов к ударам молнии и механическим воздействиям

А.К. Власов, В.А. Фокин, В.Ф. Даненко, В.И. Фролов, Е.Ю. Кушкина

Сталь. - 2013. - № 9. - C. 66-70.
3. Механошин, Б. И. Комплексный подход к обеспечению грозоупорности ВЛ

Б. И. Механошин, О. И. Богданова, М. З. Гилязов, Д. А. Матвеев. - Сб. мат. III Российской конференции по молниезащите. Санкт-Петербург, 22-23 мая 2012 г. http://lightningprotect...
4. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно¬оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи напряжением 110 кВ и выше. М.: РАО «ЕЭС России», 1999. 108 с.
5. Власов, А. К. О повышении служебных свойств канатов для молниезащиты воздушных линий электропередачи

А. К. Власов, В. А. Фокин, В. В. Петрович, В. И. Фролов, В. Ф. Даненко

Сталь. 2011, № 7. С. 78 – 81.
6. Пат. 2441293 С1 РФ, МПК H01B 11/22. Грозозащитный трос с оптическим кабелем связи

Власов А. К., Фокин В А, Петрович В. В., Фролов В. И. заявлено 03.11.2010, опубл. 27.01.2012. Бюл. № 3.
7. СТО 71915393-ТУ 113-2013. Северсталь-Метиз. «Канаты стальные (грозотрос) для защиты воздушных линий электропередач от прямых ударов молнии. Технические условия». Волгоград, 2008.
8. СТО 56947007-29.060.50.122-2012 ОАО «ФСК ЕЭС» «Руководство по расчету режимов плавки гололеда на грозозащитном тросе со встроенным оптическим кабелем (ОКГТ) и применению распределенного контроля температуры ОКГТ в режиме плавки». Дата введения: 18.05.2012. ОАО «ФСК ЕЭС» 2012. 119 с.
9. Методические указания по расчету термической устойчивости грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи. М.: Энергосетьпроект, 1976.


Со статьей можно ознакомиться перейдя по данной ссылке http://energoservise.co...