Авторы: Гуревич Л.М., Даненко В.Ф., Проничев Д.В., Трунов М.Д.

Развитие промышленности и социальной сферы приводит к постоянному росту потребления электроэнергии, что в густонаселенных районах может быть обеспечено только за счет 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.

Анализ отказов элементов ВЛ показывает, что нарушения, связанные с выходом из строя проводов и грозозащитных тросов составляют от 40% до 55% от общего количества всех нарушений и увеличиваются на ≈3-5 % в год. Основными причинами повреждения являются гололедные нагрузки, износ от действия вибрации, пляски и коррозии. Поэтому при оптимизации конструкции проводов необходимо учитывать не только пропускную способность и эксплуатационные потери (нагрев проводов из-за их активного сопротивления, затраты на перемагничивание стального сердечника, потери при коронных разрядах), но и эксплуатационную прочность в различных климатических условиях.

По мнению разработчика новых проводов, высокий уровень потерь в российских электросетях определяется не только изношенностью электросетевого оборудования, но и устаревшей нормативной базой, регламентирующей производство проводов. Рассмотрим тормозящее действие нормативной базы на примере разработанного ООО «Энергосервис» и ОАО «Северсталь» нового класса проводов с повышенными прочностью и пропускной способностью - пластически обжатых высокопрочных проводов АСВП , прошедших аттестацию межведомственной комиссией ОАО «ФСК ЕЭС». Провода АСВП обладают существенно большими прочностью и токовой пропускной способностью по сравнению с проводами АС, что достигнуто повышением конструктивной плотности проводов за счет последовательного пластического обжатия сердечника и токоведущих повивов после свивки <5>. В отличие от проводов с высоким процентом заполнения сечения за счет использования профилированной проволоки, в пластически обжатых проводах используют традиционные круглые алюминиевые проволоки, а при пластическом обжатии достигается более высокая плотность заполнения сечения, чем при сборке профилированных. Пластическая деформация со степенью обжатия площади поперечного сечения провода 8-9% не допускает раскручивания провода и взаимного смещения элементов под действием растягивающих сил, приводит за счет наклепа к повышению прочности алюминиевых проволок до 2 раз, а разница в удельной электропроводности мягкого АМ и наклепанного АТ алюминия не превышает 1% <6>. Затраты на провода АСВП и переоборудование ВЛ для них незначительно превышают аналогичные затраты при использовании проводов АС, но повышение пропускной способности (от нескольких десятков до нескольких сот процентов) и прочности перекрывает дополнительные затраты, снижает нагрузки на опоры, тяжение, ветровую и гололёдную нагрузки и, в конечном итоге, повышает надёжность ВЛ. Меньший диаметр проводов АСВП по сравнению с проводами АС той же прочности позволяет снизить: пляску проводов; аэродинамический коэффициент; уровень внутренней коррозии в проводе; уровень усталости металла в проводе; возможность обледенения и налипания снега на почти цилиндрическую наружную поверхность провода. В работе <7> экспериментально доказано, что жесткость на кручение компактных проводов выше крутильной жесткости традиционных даже при близких значениях диаметров. По многим своим характеристикам провод АСВП близок к эксплуатационным свойствам компактных проводов Aero-Z или ACSS/TW <8> при значительно более низкой стоимости.

Следует отметить высокую грозостойкость проводов АСВП вследствие протяженного контакта значительной площади между витками алюминиевой проволоки, первый и второй повивы которой выполнены с линейным касанием проволок. Конструкции с линейным касанием широко используются в грузоподъемных тросах, их основное преимущество перед канатами с точечным контактом заключается в сочетании гибкости с высокими износостойкостью и прочностью <9>. Однако в соответствии с п. 2.3. ГОСТ 839-80 «Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия» скрутка повивов должна проводиться в противоположные стороны. В ПУЭ-7 <10> нет прямого указания на направления свивки многопроволочных проводов, но, в соответствии с п. 2.5.78, «для снижения потерь электроэнергии на перемагничивание стальных сердечников в сталеалюминиевых проводах … рекомендуется применять провода с четным числом повивов алюминиевых проволок». Снижение потерь на перемагничивание при четном числе повивов возможно только при свивке проволок в противоположные стороны.

Таким образом, использование проводов со свивкой в одном направлении с линейным касанием проволок, обеспечивающих сочетание гибкости, высоких износостойкости и прочности и, следовательно, позволяющих резко уменьшить выход из строя проводов, не рекомендуется только из-за вероятности повышенных потерь на перемагничивание стальных сердечников.

Проведем ориентировочную оценку возможных величин потерь по методике <11>, по которой при передаче переменного тока необходимо учитывать поверхностный эффект и магнитные потери в стальном сердечнике. Выделяющиеся в проводе тепловые потери P не превышают (см. Формула 1)

Для определения возможного диапазона потерь моделировалось методом конечных элементов прохождение переменного тока через отрезок сталеалюминевого провода с 7 стальными проволоками (диаметры недеформированных проволок 2,7 и 2,55 мм) и 28 алюминиевыми проволоками в двух повивах (диаметры 1,95 и 2,8 мм) четырех различных конструкций (рис. 1):
недеформированный провод, в котором направление свивки в каждом следующем повиве меняется на противоположное (вариант 1);
недеформированный провод с постоянным направлением и шагом свивки во всех повивах (вариант 2);
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 принимался равным 160 мм. В вариантах 1 и 2 электрический контакт между алюминиевыми проводами отсутствовал, а в вариантах 3 и 4 пренебрегали влиянием загрязнений и оксидных пленок на контактных поверхностях алюминиевых проволок на межвитковое прохождение тока.

Для моделирования использовали 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 использовали следующие зависимости: см. формулы 2,3,4,5

На рис. 2 показано полученное при моделировании распределение нормальной плотности магнитного потока (Тл) в поперечном сечении сталеалюминевых проводов во всех вариантах.

Пластическое обжатие с формированием электрических контактов высокой проводимости и изменение направления свивки проводов при выбранном шаге практически не приводили к изменению визуализации величины и характера распределения нормальной плотности магнитного потока (рис. 2). Модуль Magnetic Fields пакета Comsol позволяет численно определять величины выделяющегося при прохождении переменного тока тепла в элементах провода за счет электромагнитных процессов (таблица).
Как видно из таблицы, изменение направления свивки практически не изменяет величину выделяющейся теплоты в элементах сталеалюминиевого провода, а использование пластического обжатия с образованием электрических контактов высокой проводимости между проволоками приводит к снижению тепловыделений в алюминии на 1%, а в железе на 10%. Следовательно, электрические потери в проводах типа АСВП, по меньшей мере, не превышают потерь в проводах АС.

ВЫВОДЫ
1. Проведенное методом конечных элементов моделирование прохождения переменного тока по сталеалюминевым проводам различной конструкции показало, что направление свивки алюминиевых проволок при четном количестве повивов практически не влияет на выделение теплоты в стальном сердечнике.
2. Формирование электрических контактов высокой проводимости между проволоками в результате пластического обжатия позволяет снизить на 10% тепловыделения в стальном сердечнике сталеалюминевых проводов типа АСВП.

Список использованной литературы
1. Повышение пропускной способности ВЛ: анализ технических решений

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

Энергетик: Производственно-массовый журнал. - 2011. - №1. - С. 18—22.
2. Яковлев, Л. В. Комплекс работ и предложений по повышению надежности ВЛ на стадии проектирования и эксплуатации
Л. В. Яковлев, Р.С. Каверина, Л. А. Дубинич. Сборник докладов Третьей Российской научн.-практ. конф. с международным участием "Линии электропередачи 2008: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс". Новосибирск, 3-5 июня 2008г. – Новосибирск, 2008. -С.28-49.
3. Федоров Н. А. Энергоэффективное решение с проводом нового поколения АССС™ на примере реконструкции ВЛ 110 кВ
Сб. докладов международной научно-практической конференции «Опоры для умных сетей: проектирование и реконструкция». РФ, С.-Пб. – 2013.
4. Колосов, С. В. Новое поколение проводов ВЛ: пластически деформированные провода/ С. В. Колосов, В. А. Фокин// Электроэнергия: передача и распределение. -2014. -№1. –С. 90-92.
5. П.м. 132241 РФ МПК Н01В5/08 Сталеалюминевый провод для воздушной линии электропередачи
В. А. Фокин, А. К. Власов, В. В. Петрович, А. В. Звягинцев, В. И. Фролов. Опубл.: 10.09.2013. Бюл. №25.
6. Справочник по электротехническим материалам. Том 3
Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 728 с.
7. Назим, Я. В. Исследования крутильной жесткости проводов для воздушных линий электропередачи/Я. В. Назим/Металлические конструкции. 2011, Т. 17, № 3. - С. 199–215.
8. Алексеев, Б. А. Повышение пропускной способности воздушных линий электропередачи и применение проводов новых марок/
Б. А. Алексеев/«ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность», 2009, №3. - C. 45-50.
9. Бузуев, И. И. Обеспечение безопасной эксплуатации механизмов подъема грузоподъемных машин. – Самара: Самарский государственный технический университет, 2012. 88 с.
10. УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПУЭ. Издание седьмое. Утверждены приказом Минэнерго России от 08.07.2002 №204.
11. СТО 56947007-29.240.55.143-2013. Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов воздушных линий. Стандарт организации. Дата введения: 13.02.2013. ОАО «ФСК ЕЭС», 2013

Данная статья напечатана в Журнале "ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение" № 5 (26) сентябрь-октябрь 2014

с полной статьей можно ознакомиться по данной ссылке http://energoservise.co...