Оцінка впливу спіральних затискачів на тепловий стан проводу

1. висновки

Технічне вдосконалення повітряних високовольтних ліній (ПЛ) протягом багатьох років супроводжувалося зменшенням кількості деталей арматури, виконаних з феромагнітних матеріалів.

Втрати на перемагнічування виникають в разі, коли елементи арматури з феро-магнітних матеріалів охоплюють зовні струмопровідні повів дроти. До таких елементів (в складі конструкцій лінійної арматури, яка застосовується в даний час) відносяться:

• корпусу підтримуючих затискачів (човники) ПГН-3-5, виконані з листової сталі;
• чавунні корпусу натяжних затискачів НБ-2-6 і НБ-3-6;
• спіральні натяжні затискачі;
• сталеві протектори-фіксатори сполучних і ремонтних спіральних затискачів;
• сталеві захисні спіральні протектори;
• сталеві спіралі, призначені для кріплення різних пристроїв до проводів (затискачі гасителів вібрації, танці, розпірок і т.д.).

Вибір допустимих тривалих струмових навантажень обумовлений допустимою температурою нагріву проводу, яка встановлена ​​в [1]. Рекомендації по вибору даних навантажень наведені в різній технічній літературі [2]. Тривало допустимі струмові навантаження прийняті з розрахунку допустимої температури їх нагріву + 70 ° С при температурі повітря + 25 ° С. ГОСТ 839-80 встановлює тривало допустиму температуру рівну 90 ° С.

Завдання даної роботи полягає в оцінці впливу спіральних затискачів на втрати потужності і температуру нагрівання проводу. Експериментальні дослідження проводилися на стенді, призначеному для випробування лінійної арматури з проводами на магнітні втрати по МЕК 61284: 1 997 [3].

Дослідження проводилися зі спіральними сполучними і натяжними затискачами, що містять зовнішні повів із сталевих алюмінійовані і оцинкованих дротів, які отримали в Росії широкого поширення при будівництві та ремонті ВЛ 35-750 кВ.

Найбільш поширена в Росії конструкція з'єднувального затискача приведена на рис.1 [4].

Для визначення температури нагріву дроту був проведений ряд експериментів на проводах АС 120/19, АС 240/32, AAAC-Z455-2Z. Експерименти проводилися з зажимами, конструкція яких приведена на рис.1.

Для оцінки впливу спіральних затискачів на процес нагрівання проводів в результаті перемагничивания для всієї номенклатури неізольованих проводів необхідна розробка розрахункової методики.

Як відомо [5], нагрів дроту в деякому середовищі з температурою ТСР описується рівнянням, заснованим на законі Джоуля-Ленца:

де k - загальний коефіцієнт тепловіддачі; F - поверхня охолодження; τ - постійна нагріву; t - час.

У сталому режимі при t → ∞ отримуємо:

Якщо врахувати, що відчувають дроти представляють собою протяжні об'єкти, довжина яких значно більше, ніж діаметр, то можна знехтувати тепловіддачею від торця дроти, а вираз (2) перетворити щодо одиниці довжини проводу:

де R01 - опір одного метра проводу;
D0 - діаметр випробуваного дроти, мм.

При цьому приймається допущення, що провід має гладку циліндричну поверхню діаметра D0.

Коефіцієнт тепловіддачі k - характеризує інтенсивність теплообміну між поверхнею тіла і навколишнім середовищем. Коефіцієнт k показує, яка кількість тепла передається від одиниці поверхні проводу до повітряного середовища в одиницю часу при різниці температур між стінкою і середовищем в 1 ° С. У загальному випадку коефіцієнт тепловіддачі залежить від багатьох чинників: виду і режиму руху навколишнього середовища, її фізичних властивостей, розмірів і форми стінки, шорсткості стінки. Зазвичай при визначенні коефіцієнта користуються методами теорії подібності.

Оскільки в нашому випадку досліди по нагріванню проводяться в ідентичних умовах з подібними об'єктами, то цей коефіцієнт можемо прийняти як постійну величину, яку нескладно визначити як середньостатистичну величину за результатами випробувань проводів різного типу і при різних токах:

Справедливість наведених співвідношень ілюструє рис. 2, в якому зіставлені виміряні і розраховані за формулою (3) величини температур проводів з урахуванням прийнятого коефіцієнта тепловіддачі (4).

Звернемося до нагрівання проводу зі спіральними зажимами, що містять спіралі зі сталевих алюмінійовані дротів. Як приклад в табл. 1 наведені дані вимірювань, виконаних в процесі випробування дроти АС 120/19 без спірального затиску і з з'єднувальним спіральним затискачем, аналогічним показаному на рис. 1.

Таблиця 1

Струм I, А Потужність втрат P, Вт Приріст потужності втрат ΔP, Вт Температура T, ° C Наявність затиску Примітка виміряна розрахункова 250 73 55 52,1 немає Приріст потужності ΔP дорівнює різниці між потужністю втрат дроти з затискачем і дроти без затиску при однакових значення струму.
Температура навколишнього середовища 25 ° C 300 107 68 67,1 350 146 84 83,9 400 192 102 104 250 150 77 112 97 є 300 193 86 127 113 350 250 104 146 137 400 323 131 175 169

Для розглянутого прикладу, як видно з таблиці 1, потужність втрат при випробуваннях дроти зі спіральним затискачем зросла більш ніж в 1,5 рази.

Схема вимірювання наведена на рис. 3.

Істотне збільшення загальної потужності втрат у випробуваному об'єкті з затискачем і відповідне підвищення температури дроти в місці його установки, найімовірніше пов'язані з магнітними втратами в стали спірального затиску, під якими розуміється втрати на гістерезис, на вихрові струми, а також втрати внаслідок поверхневих ефектів [6 ].

Приймаються наступні положення:

• теплової процес дроти з затискачем узгоджується з основним законом електричного нагрівання провідника, описуваного рівнянням (1);
• збільшення потужності втрат безпосередньо пов'язано з присутністю сталевих спіралей затиску;
• спіральний зажим не тільки призводить до збільшення втрат ΔP, але також збільшує поверхню охолодження проводу.

Іншими словами, при виведенні загальної взаємозв'язку між потужністю втрат і температурою слід врахувати геометричні параметри спірального затиску, в тому числі, співвідношення між довжинами і радіальними розмірами затиску і основного дроти. Прийняті положення дозволяють формалізувати наступну конструкцію параметричної зв'язку між температурою нагріву і потужністю втрат, наведену до одиниці довжини за аналогією з (3):

У цій формулі Lпр - довжина сталевих спіралей затиску; D * н.пр - еквівалентний зовнішній діаметр сталевих спіралей Dн.пр, який визначається ступенем заповнення α поверхні проводу спіралями:

У разі, якщо α → 1, то D * н.пр ≈ α Dн.пр

Обчислені за формулою (5) значення температури наведені в табл. 1. Зіставляючи їх з виміряними величинами можна переконатися, що для розглянутого прикладу з проводом АС 120/19 в комплекті зі спіральним з'єднувальним затискачем найбільша похибка не перевищує 10%.

Для того щоб розширити застосовність запропонованої напівемпіричної формули (5), співвідношення потужностей втрат на погонну довжину перетворимо в співвідношення питомих за обсягом потужностей βпр:

де

S0, Sст - перетин алюмінію дроти і сталевих дротів затиску; N - число сталевих дротів.

Відносна універсальність параметра βпр характеризує питомий приріст втрат як результат впливу магнітного поля з боку проводу, визначається тим, що геометричні параметри винесені за межі цього параметра. На рис. 4 представлені криві залежності параметра βпр від щільності струму J в проводі, вони були побудовані за результатами випробувань на нагрівання проводів АС 240/32 і АС 120/19 з сполучними зажимами.

Основні характеристики складових елементів цих затискачів дані в табл. 2

Таблиця 2

№ Найменування складових елементів Матеріал дроту Діаметр дроту d, мм Діаметр стали dст, мм Число дротів N Довжина спіралі Lпр, м Зажим з'єднувальний спіральний для проводу АС 240/32 1 З'єднувач Сталева Алюмінізований 3,4 2,95 8 0,8 2 Струмопровідний повів алюмінієвий сплав 4,62 - 15 2,3 3 Протектор фіксатор Сталева Алюмінізований 4,2 3,65 20 2,1 Зажим з'єднувальний спіральний для проводу АС 120/19 1 З'єднувач Сталева Алюмінізований 2,2 1,9 9 0,8 2 Струмопровідний повів Алюмінієвий сплав 4,2 - 14 1,8 3 Протектор фіксатор Сталева Алюмінізований 3,3 2,9 16 1,7

Згідно рівнянням Максвелла [7], в загальному випадку, магнітне поле, обумовлене струмом, знаходиться в безпосередній кореляції з щільністю струму J. Саме в зв'язку з цим значення βпр представлені щодо щільності струму J.

На рис. 4 криві, які стосуються двом різним об'єктам, добре узгоджуються між собою, що дозволяє їх апроксимувати однією функцією: βпр від J, що, в свою чергу, опосередковано підтверджує наявність причинно-наслідкового зв'язку між змінним магнітним полем і втратою потужності в сталевих спіралях. Цікаво відзначити (див. Рис. 4), що об'ємна щільність потужності втрат в стали спіралей може в кілька разів перевищувати щільності втрат в самому проводі.

Зі співвідношення (7) легко отримати формулу розрахунку температури дроти при відсутності спірального затиску, прирівнявши βпр нулю. Слід пам'ятати, що наведені формули справедливі для протяжних об'єктів, в тому числі, для спіралей довжина яких, як правило, істотно більше їх зовнішнього діаметра.

Розрахунок очікуваної температури за допомогою формули (7) при відомому типі дроти, типі затиску і струмі по дроту виконується в наступній послідовності:

• встановлюємо за довідковими матеріалами вихідні параметри проводу і затиску: R01 - опір погонного метра проводу, D0 - зовнішній діаметр проводу, NSст - сумарне перетин сталевих дротів спірального затиску (протектора-фіксатора, рис. 1);
• по співвідношенню (6) визначаємо D * н.пр - еквівалентний зовнішній діаметр протектора-фіксатора спірального сполучного затиску);
• визначаємо щільності струму J для заданого струму I і перетину дроту S0, потім з рис. 4 знаходимо відповідне значення βпр;
• підставляємо зазначені вище величини в (7) і знаходимо шукану температуру з урахуванням температури середовища.

Обчислені таким чином найбільші значення температури проводів АС 240/32 і AAAC-Z455-2Z зі спіральними зажимами, порівнювалися з виміряними в процесі випробувань значеннями температури. Параметри спірального затиску для проводу АС 240/32 дані в табл. 2, при випробуванні компактірованного дроти AAAC-Z455-2Z використовувався натяжна спіральний зажим зі сталевих алюмінійовані дротів діаметром 5 мм в кількості 12 штук, довжиною 1,9 м. Результати показали (рис. 5) задовільну для інженерної практики збіжність.

Очевидно, нескладно вирішити зворотну задачу: задавшись температурою, визначити відповідний струм, таким чином, прогнозувати рівень тривало допустимого струму по нагріванню дроти.

На закінчення наведемо результати випробувань з'єднувального затискача виробництва компанії PLP (США), призначеного також для проведення АС 120/19. Відмінністю даного затиску є відсутність протектора фіксатора. Єдиним феро-магнітним елементом цього затиску є з'єднувач, призначений для з'єднання сердечника дроти. При нагріванні проводу з затискачем PLP температура нагріву затиску на кілька градусів нижче температури дроти, втрати потужності на дроті з затискачем менш ніж на 5% перевищують втрати в проводі без затиску. Таким чином, конструкції спіральних затискачів, які не мають зовнішніх повивов з феромагнітних матеріалів, не викликають перегрівання проводів і істотних втрат потужності.

Проведені дослідження показали, що розміщення елементів спіральної арматури з феромагнітних матеріалів зовні струмопровідних повивов дроти і спіральної арматури призводить до додаткових втрат електроенергії та суттєвого підвищення температури дроти і арматури. Розробникам і виробникам спіральної арматури слід обмежити застосування спіралей з феромагнітних матеріалів в арматурі, яка застосовується на ВЛ 110-750 кВ і розміщуються зовні струмопровідних повивов дроти і арматури.

висновки

1. Спіральні затискачі, що мають зовнішні по відношенню до проводу повів із сталевих дротів роблять значний вплив на температурний стан проводу.
2. Температура нагріву проводу в місці установки спірального сполучного затиску, що містить протектора-фіксатора, натяжної спірального затиску істотно перевищує температуру нагрівання проводу.
3. Доцільно ввести вимоги на магнітні втрати для спіральних затискачів по аналогії з монолітними зажимами згідно МЕК 61284.
4. На основі рівняння нагріву проводу під дією електричного струму і експериментальних досліджень запропоновано напівемпіричної співвідношення для наближеної оцінки найбільшою температури проводів зі спіральними зажимами зі сталевих дротів.

література

1. ПУЕ (Правила улаштування електроустановок) Видання 6.
2. Макаров Е.Ф. Довідник по електричних мережах 0,4-35 кВ і 110-750 кВ. Том 2. М.: Папірус Про, 2003 640 с.
3. IEC 61284: 1997 Лінії передачі повітряні. Вимоги та випробування для арматури
4. Спіральна арматура для підвіски і ремонту проводів, грозозахисних тросів ПЛ. Монтажні пристрої і пристосування. Каталог продукції АТ «Електросетьстройпроект» Випуск № 22, М., 2014.
5. Основи електричного транспорту. Підручник для студентів ВНЗ / Під загальною редакцією М.А. Слєпцова. М .: «Академія», - 2006-464 с.
6. Савельєв І.В. Курс загальної фізики. Т. 2. М. «Вища школа». 1982. 289 с.
7. Парселл Е. Електрика і магнетизм. М .: «Наука» -1975.-334 с.

ДЕТАЛЬНІШЕ ПРО КОМПАНІЮ