Оценка эффективности использования композитных проводов для ВЛ

Постоянное увеличение потребления электроэнергии увеличивает актуальность для повышения для повышения надежности и пропускной способности ЛЭП, разработки и применения новых проектных и строительных решений, использования современных материалов и технологий. Применение новых материалов и оптимизированных проектных решений актуально также вследствие реновации сетевой инфраструктуры, срок службы которой превышает 45-55 лет. Социальные и экономические условия выполнения применение рациональных и эффективных решений экономического сопоставления.
На сегодняшний день в электросетевом комплексе существует проблема ее низкой энергоэффективности. Важнейшим показателем энергетической эффективности электроэнергетической системы является уровень потерь энергии. В условиях роста потерь электроэнергии в электрических сетях увеличивается количество вопросов, требующих безотлагательного решения. Среди них: реконструкция и техническое перевооружение электрических сетей; совершенствование проектных решений путем использования прогрессивных технических разработок, современных технологий и материалов, повышающих безотказность, долговечность и ремонтопригодность линий электропередачи. В связи с этим, в настоящее время актуален вопрос поиска и внедрения инновационных проводников с улучшенными характеристиками: высокой электропроводностью, высокая механическая прочность, устойчивостью к высоким температурам, старению и агрессивным воздействиям со стороны окружающей среды.
Основными критериями и требованиями, предъявляемыми к линиям и проводам нового поколения являются:
–высокая электропроводность;
–высокая механическая прочность;
– небольшая масса;
– невысокие температурные удлинения;
– устойчивость к старению и внешним ветровым воздействиям.
Температура традиционных проводников не превышает 95°С. Известно, что продолжительная работа проводника при такой температуре приводит к процессу рекристаллизации сплава алюминия, в результате чего которого он утрачивает свои механические и физические свойства.
В проводах нового поколения в качестве токопроводящей части применяются термостойкие сплавы из алюминия, что в зависимости от типа сплава допускает эксплуатацию проводов при температурах 150°С и более длительное время. Токопроводящая часть проводов может быть выполнена из нескольких слоев проволок округлой формы с применением компактизации, либо используются профилированные проволоки. Компактированные провода по сравнению с проводами традиционной конструкции, при идентичных диаметрах имеют большую площадь сечения токопроводящей части. В качестве сердечников в проводах нового поколения применяются стальные оцинкованные проволоки, композитные материалы.
Композитом называют неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую параллельную работу армирующих элементов.
Учитывая рост количества проблем в ряде регионов мира, связанных с недостаточностью развития инфраструктуры линий передач электроэнергии, компания 3M разработала новый, отличающийся высокими характеристиками материал для проводов воздушных ЛЭП, обеспечивающий увеличение пропускной способности по сравнению с применяемыми проводами. Разработка высококачественного композитного провода, названного ACCR (алюминиевый композитный усиленный провод), представляет собой особо важный прорыв в области проводов воздушных ЛЭП с тех пор, когда в начале 20 века появился широко применяемый провод ACSR (сталеалюминиевый провод).
Провод ACCR представляет собой повивы композитных проволок, формирующих сердечник, поверх которого свиты стойкие к воздействию температуры проволоки из алюминиево-циркониевого сплава. Провод ACCR может быть оперативно установлен взамен существующего без замены существующей инфраструктуры ЛЭП.
На рис. 1 показаны сечения проводов ACCC, изготовленных с использованием проволок различной формы.
Токопроводящая часть проводов нового поколения может быть выполнена из нескольких слоев проволок круглой формы с применением технологии компактизации посредством пластического обжатия повивов, либо используются профилированны проволоки. Обе технологии обеспечивают высокий токопроводящей части, благодаря чему компактированные провода в сравнении с проводами традиционной конструкции, при идентичных диаметрах имеют большую площадь сечения токопроводящей части. При одинаковом же сечении токопроводящей части компактированные провода имеют существенно меньший диаметр, более гладкую поверхность и, как следствие, пониженное аэродинамическое сопротивление. В качестве сердечников в проводах нового поколения применяются стальные оцинкованные или плакированные алюминием проволоки, проволоки из различных сплавов на основе стали, композитные материалы. Сердечник из композитных материалов может представлять собой монолитный стержень круглого сечения или скрученные в прядь элементарные стержни, многокомпонентного материала, состоящего из матрицы (полимерной, металлической, углеродной и др.) и армирующих элементов (углеродное волокно, базальтовое волокно, стекловолокно, нитевидные кристаллы, тонкодисперсные обеспечивающих необходимую механическую прочность. Использование в проводах нового поколения композитного сердечника (провода ACCC, ACCR) способствует повышению механической прочности, значительному коэффициента температурного линейного удлинения, что позволяет, при применении проводов подобной конструкции, обеспечивать уменьшенные стрелы провеса по сравнению с проводами ACSR.
В качестве примера в таблице 1 приведены результаты испытаний и технические характеристики проводов марки ACSR и ACCC сечением 400 мм2.
Таблица 1. Сравнительные характеристики проводов.
Характеристика провода ACSR АССС Результат сопоставления основных характеристик, %
Сечение токопроводящей части, мм2391 391 +0,11
Сечение сердечника, мм265 65 +1,51
Диаметр провода, мм28 25 -10,1
Механическая прочность на разрыв, Н 129184 170300 +31,9
Масса 1 км провода, кг 1571 1205 -23,5
Предельная токовая нагрузка при допустимой температуре, А:
70°С90°С150°С861
1055
- 1100
1320
1810 +26,9
+24,6
+71,5
Длина пролета при одинаковой стреле провеса провода, м355 440 +11,9
Кол-во опор на 5 км ВЛ17 14 -18,9
Температурный коэффициент линейного удлинения сердечника, 10-6 1/°С11 2 -83,9
Температурный коэффициент линейного удлинения провода, 10-6 1/°С19 17 -10,9
Стрела провеса провода при температуре воздуха -5 °С в III районе по ветру и гололеду в пролете, м:
350
400
450 9
12
15 6
8
10 -35,8
Потери на перемагничивание при экономической плотности тока, % от основных тепловых потерь 5 - -
Начальная напряженность электрического поля на поверхности проводов, соответствующая появлению общей короны в условиях хорошей погоды, Е0, кВ/см 32 38 +17,9
По результатам проведённых испытаний провода АССС было установлено, что провода с использованием композитного сердечника по сравнению с проводом ACSR одинакового имеют следующие основные преимущества:
– уменьшение диаметра провода на ~10%;
– снижение массы на ~ 20%;
– повышение прочности на ~ 41%;
– снижение коэффициента удлинения на ~ 16%;
– увеличение длины пролета на ~ 12%;
– снижение количества промежуточных опор на ~ 15%;
– увеличение токовой нагрузки на ~ 71%.
Таким образом, несмотря на более значительную стоимость применение в проекте провода нового поколения АССС позволит за короткий срок окупить инвестиционные вложения и в дальнейшем при эксплуатации получить значительный экономический эффект от ее внедрения.
Приведенные выше тезисы позволяют сделать следующие основные ВЫВОДЫ.
Применение нового композитного провода ACCR может существенно имеющиеся проблемы электроэнергетической системы: ограничения по передаваемой мощности, габариты в режиме высоких температур. Благодаря новой инновационной конструкции композитного провода ACCR обеспечиваются его исключительные механические и электрические характеристики. Композитный провод ACCR при значительно меньшем удельном весе обеспечивает возможность для увеличения пропускной способности в 1,5-3 раза по сравнению с обычными проводами. Это дает новую возможность модернизации ЛЭП с учетом требований и ограничений линии без необходимости модернизации опор ЛЭП. Благодаря увеличенной пропускной способности композитный провод ACCR может решить проблемы перегрузки электроэнергетической системы в конкретных регионах, обеспечить большую гибкость при передаче электроэнергии из других регионов. Существенно снижаются сопутствующие затраты. При увеличенной пропускной способности и значительно меньшей массе композитного провода ACCR может быть обеспечена модернизация линии электропередачи без необходимости кардинального изменения трассы, в том числе расширения охранной зоны ЛЭП, модификации опор. Реконструкция существующей ЛЭП путем монтажа композитного провода ACCR может быть выполнена быстрее, чем строительство новой ЛЭП. При этом исчезает необходимость вывода ЛЭП из системы на период производства работ. Замена провода на композитный провод ACCR с меньшей массой, высокой пропускной способностью и низким температурным коэффициентом расширения, не приводит к увеличению нагрузок на уже существующие опоры и обеспечивает соответствие требованиям к стреле провеса в соответствии с ПУЭ-7 без необходимости сооружения новых или реконструкции опор. Это значительно увеличивает срок службы и снимает большую часть капитальных затрат на сооружение ЛЭП. При использовании существующих опор ЛЭП в проектах по реконструкции с использованием композитного провода ACCR появляется возможным сократить объем работ по проектированию и проведения масштабных СМР.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Алексеев Б.А. Оценка нагрузочной способности воздушных линий и методы её повышения // Энергоэксперт, 2010, № 4, с. 80-83.2. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Кро-хин А.Ю. Инновационные провода для воздушных линий электропередачи. Часть 1 // КАБЕЛЬ-news, 2010, № 4, с. 66-68.3. Алексеев Б.А. Повышение пропускной способности воздушных линий электропередачи и применение проводов новых марок // ЭЛЕКТРО, 2009, № 3, с. 45-50.4. ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1980.6. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Крохин А.Ю. Инновационные провода для воздушных линий электропередачи. Часть 3 // КАБЕЛЬ-news, 2011, № 2, с. 52-54.8. Щеглов Н. Современные подходы к совершенствованию и развитию воздушных линий электропередачи // Энерго-info, 2010, № 10, с. 66-69.9. Кувшинов А. Инновационные конструкции для высоковольтных линий электропередачи // КАБЕЛЬ-news, 2012, № 2, с. 30-32.12. Котов Р. Сравнение технологий производства композитных проводов // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2013, № 1, с. 46-47.13. Ермаков А. Передача энергии по высокотехнологичным проводам // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2012, № 5, с. 54-55.14. Кошиц И., Светиков Ю. Повышение надёжности проводов и грозотросов ЛЭП // КАБЕЛЬ-news, 2011, № 1, с. 56-65.15. Шувалов М.Ю. Инновации кабельной промышленности в электроэнергетике // КАБЕЛЬ-news, 2012, № 4, с. 38-44.16. Костиков И.С., Горожанин М.А. Эффективные решения в сфере передачи и распределения энергии // Энергоэксперт, 2010, № 5, с. 84-85.17. Зарудский Г.К., Платонова И.А., Шведов Г.В., Крохин А.Ю. Инновационные провода для воздушных линий электропередачи. Часть 2 // КАБЕЛЬ-news, 2010, № 6-7, с. 48-51.18. Группа компаний «Сим-Росс» — энергоэффективные провода для российской электроэнергетики // КАБЕЛЬ-news, 2012, № 4, с. 24-27.