СПОСОБ ЗАЩИТЫ СТАЛЕАЛЮМИНИЕВЫХ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ОТ УСТАЛОСТНЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА ВЫХОДЕ ИЗ ПОДДЕРЖИВАЮЩЕГО ЗАЖИМА

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано на воздушных линиях электропередачи для защиты их проводов от усталостных вибрационных повреждений, а также повреждений, вызванных пляской проводов, обусловленной сочетанием ветровых нагрузок с гололедно-изморозевыми отложениями на проводах.

Известен способ защиты проводов воздушных линий электропередачи от усталостных вибрационных повреждений на выходе из поддерживающего зажима, согласно которому в том месте на проводе, где должен быть смонтирован поддерживающий зажим, навивают проволочные спирали протектора, на внутренней поверхности которого, охватывающей провод, предварительно наносят абразив с клеем [1].

В данном техническом решении, несмотря на наличие абразива на внутренней поверхности протектора, вследствие скольжения протектора относительно провода при его изгибной деформации в месте выхода из поддерживающего зажима, вызванного вибрацией, система провод с протектором имеет недостаточно высокие жесткость и изгибную прочность, что не позволяет обеспечить эффективную защиту провода от усталостных повреждений.

Наиболее близким аналогом к предложенному способу является способ защиты проводов воздушных линий электропередачи от усталостных вибрационных повреждений на выходе из поддерживающего зажима, включающий закрепление на проводе в месте установки поддерживающего зажима защитного элемента [2].

В известном способе уменьшают статическую силу, растягивающую провод в месте его выхода из поддерживающего зажима, посредством навивания на провод, в месте установки поддерживающего зажима, слоя из преформированных в спирали стальных проволок с внутренним диаметром спирали на (1-1,5) мм меньше диаметра провода.

Однако сила трения поверхностей проволок спиралей и провода воздушных линий электропередачи не предотвращает взаимный сдвиг проволоки и провода относительно друг друга при их изгибной деформации на выходе из поддерживающего зажима вследствие вибрации провода, в результате чего снижается изгибная жесткость и прочность провода с навитой на нем спиралью.

Другим недостатком известного способа является низкий момент сопротивления провода, защищенного спиралью, в месте его выхода из поддерживающего зажима. Поэтому при возникновении значительного знакопеременного момента, действующего на провод в опасном сечении в режиме гололедных-ветровых нагрузок (пляске проводов), не обеспечивается требуемая прочность, что снижает надежность воздушных линий электропередачи.

Задачей настоящего изобретения является предотвращение повреждений сталеалюминиевых проводов воздушных линий электропередачи от усталостных колебательных повреждений на выходе из поддерживающего зажима.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе защиты проводов воздушных линий электропередачи от усталостных повреждений на выходе из поддерживающего зажима, включающем закрепление на проводе в месте установки поддерживающего зажима защитного элемента, к проводу, коаксиально ему, посредством термитной сварки приваривают защитный элемент из алюминия, представляющий собой тело вращения, в наружную поверхность которого вваривают преформированные в спирали стальные алюминированные проволоки, центральная часть защитного элемента, монтируемая в поддерживающий зажим, имеет диаметр D₀, равный (1,4-2) диаметра провода d_П, который по длине консольной части L₀ уменьшается до диаметра провода d_П, при этом диаметр консольных частей защитного элемента D(x) в местах после выхода из поддерживающего зажима определяют в зависимости от текущей координаты х, отсчитываемой от крайних точек поддерживающего зажима, из уравнения

где

Благодаря тому, что защитный элемент из алюминия, представляющий собой тело вращения, приваривают к проводу, коаксиально ему, посредством термитной сварки, в результате оплавления поверхности сталеалюминевого провода между ним и защитным элементом образуется прочное неразъемное соединение, исключающее их относительное перемещение при изгибной деформации провода в месте выхода из поддерживающего зажима. Вследствие такого воспрепятствования скольжению защитного элемента относительно провода полученное неразъемное соединение значительно жестче и прочнее, чем соединение, состоящее из защитного элемента, размещенного на проводе с возможностью взаимного сдвига, что отмечено в [3, с. 104].

Вваривание в наружную поверхность защитного элемента преформированных в спирали алюминированных проволок обеспечило дополнительное увеличение прочности на изгиб и растяжение неразъемного соединения защитного элемента с проводом.

Выполнение защитного элемента в виде тела вращения, центральная часть которого, монтируемая в поддерживающий зажим, имеет диаметр D₀, равный (1,4-2) диаметра провода d_П, позволило значительно повысить момент сопротивления неразъемного соединения и площадь его опасного сечения соответственно в (2,7-8) и (2-4) раза. Что привело к снижению дополнительных напряжений при изгибе и растяжению провода в месте выхода из поддерживающего зажима, при возникновении гололедных-ветровых нагрузок. Приведенная в формуле изобретения форма выполнения консольных частей защитного элемента в наибольшей степени приближается к форме защемленного с одного конца стержня равного сопротивления изгибу и при этом обеспечивает плавный переход от диаметра защитного элемента D₀ к диаметру провода d_П, что позволяет с наименьшими затратами материала на изготовление защитного элемента значительно снизить изгибные напряжения на проводе не только на выходе из поддерживающего зажима, но и на выходе провода из самого защитного элемента.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид защитного элемента, приваренного к сталеалюминиевому проводу, на фиг. 2 показана форма консольной части защитного элемента, на фиг. 3 приведена зависимость изгибного напряжения на консольной части защитного элемента от координаты х.

Защитный элемент 1 из алюминия, представляющий собой тело вращения, посредством термитной сварки приварен к сталеалюминиевому проводу 2 в месте установки поддерживающего зажима 3. В наружную поверхность защитного элемента 1 вварены преформированные в спирали стальные алюминированные проволоки 4. Шаг спиралей, а также диаметр проволок выбирают из условия обеспечения равенства предела прочности на растяжения провода 2 и защитного элемента 1. Центральная часть защитного элемента 1, монтируемая в поддерживающий зажим 3, имеет диаметр D₀, равный (1,4-2) диаметра провода d_П, что позволяет проводить монтаж провода, с увеличенным из-за защитного элемента диаметром, в поддерживающий зажим прежнего или следующего большего типоразмера в зависимости от величины возможных экстремальных нагрузок, обусловленных налипанием снега, обледенением или пляской проводов.

Провод с приваренным к нему защитным элементом на выходе из поддерживающего зажима в первом приближении можно представить в виде консоли круглого сечения длиной L₀, с жестко закрепленным концом большего сечения, радиусом R₀=D₀/2, нагруженной на свободном конце, радиусом r=d_П/2, поперечной силой F₀, которая создает изгибающий момент на консоли М_изг, имеющий наибольшее значение в месте ее закрепления (фиг. 2). К свободному концу консоли также приложена постоянная сила натяжения Т, величина которой согласно [4] не должна превышать 13% от разрывного усилия провода.

Способность провода с защитным элементом выдерживать без повреждения вибрационные колебания определяется в первую очередь уровнем циклических изгибных напряжений в месте его выхода из поддерживающего зажима, а также в сечении на выходе провода из защитного элемента. Исходя из этих условий подобрана форма консольной части защитного элемента таким образом, чтобы во всех сечениях по длине консоли изгибные напряжения не превышали допускаемого значения σ_max и по возможности были одинаковы, с целью наиболее полного использования материала защитного элемента, при обеспечении плавного перехода от диаметра D₀ к диаметру провода d_П. Для произвольного сечения консоли, отстоящего на расстоянии х от места ее закрепления, условие обеспечения требуемой прочности имеет вид

где М_изг(х) изгибающий момент, М_изг(х)=F₀(L₀-х);

W(x) момент сопротивления круглого сечения, W(x)=πD³/32,

здесь D=D(x) - диаметр крута в сечении x, причем D(0)=2R₀, D(L₀)=2r.

Условие равного сопротивления изгибу для консоли будет

или

где R=R(x)

Перепишем это равенство в виде

где

Плавный переход от диаметра D₀ защитного элемента к диаметру провода d_П обеспечивается при

Будем отыскивать y≡R³ в виде

из следующих условий

1) х=0, ;

2) x=L₀, y=r³;

3) x=L₀, y'=0,

данное условие равносильно равенству (5);

4)

при выполнении этого условия обеспечивается минимальное отклонение действительного продольного профиля консоли от теоретического, представляющего собой кубическую параболу, которое обусловлено необходимостью выполнения плавного перехода от диаметра D₀ защитного элемента к диаметру провода d_П.

Из условия 1) следует, что ,

из условия 2) ,

из условия 3) , или .

Тогда

и

Таким образом

Условие минимума интеграла I (7)

с учетом (10) приводит к

или

После вычисления интеграла (12) получим выражение для определения коэффициента е

Подставив в (13) значение коэффициентов β из (4) и из (8) и с из (9), имеем

Таким образом, в уравнении (6) определены все коэффициенты:

После преобразования (6) получаем уравнение для определения значений диаметра консольных частей защитного элемента D(x) в местах после выхода из поддерживающего зажима в зависимости от текущей координаты x, отсчитываемой от крайних точек поддерживающего зажима

где

Защитный элемент 1 приваривается к проводу коаксиально ему, в месте установки поддерживающего зажима 3 по технологии термитной сварки [5] следующим образом.

На провод 2 навивают стальные алюминированные проволоки 4, преформированные в спирали по форме наружной поверхности защитного элемента 1. Затем на преформированные в спирали проволоки 4 устанавливают стальные полуформы (иолукокили), объем которых воспроизводит форму защитного элемента 1. Стальные полуформы жестко фиксируются на проводе 2 замковыми приспособлениями, установленными на их концевых частях, образуя единый кокиль. После чего через литниковое отверстие объем между внутренней поверхностью кокиля и проводом 2 заполняется алюминиевым порошком. Далее на наружную поверхность центральной части кокиля наносят слой термитной пасты, содержащей пиротехнический магний, железную окалину и в качестве связующего вещества быстросохнущий нитролак. После затвердения термитного слоя его поджигают с помощью термоспички. При сгорании термита в результате экзотермической реакции выделяется значительное количество тепла и развивается при этом высокая температура. В результате чего происходит расплавление алюминиевого порошка внутри кокиля и оплавление поверхности провода 2. Таким образом осуществляется приварка защитного элемента из алюминия к проводу 2, коаксиально ему, и вваривание преформированных в спирали стальных алюминированных проволок 4 в наружную поверхность защитного элемента 1. По окончании сварки с кокиля удаляется сгоревшая масса термита и с защитного элемента 1 снимаются стальные полукокили.

Оценка эффективности предложенного способа проводилась при его применении для защиты провода АС 120/19 по ГОСТ 839-80 от усталостных колебательных напряжений.

К проводу диаметром d_П, равным 15,2 мм, коаксиально ему, приварен защитный элемент, диаметр которого на выходе из поддерживающего зажима D₀ составляет 30,4 мм. Длина консольной части защитного элемента L₀ равна 0,5 длины поддерживающего зажима и составляет 110 мм. На консольную часть защитного элемента действует изгибающий момент М_изг, обусловленный вынужденными колебаниями провода АС 120/19 при обтекании его воздушным потоком. При воздействии на провод воздушного потока со скоростью V=1,47 м/с, при длине пролета, равной 300 м, создается устойчивая вибрация провода. Значение изгибающего момента М_изг при указанных условиях составляет 1,912 Н⋅м [6].

На фиг. 2 показано продольное сечение консольной части защитного элемента, профиль которого определен для указанных значений величин D₀, d_П и L₀, в соответствии с уравнением (15), при этом его коэффициенты имеют следующие значения: а=3511,808 мм³, b=-20,952702 мм²,

с=-0,380901 мм, е=0,0028857.

Из приведенной на фиг. 3 зависимости изгибного напряжения σ_зэ на консольной части защитного элемента от координаты x, полученной из уравнения (1), следует, что на большей ее длине, начиная от выхода из поддерживающего зажима, практически удовлетворяется условие равного сопротивления изгибу при обеспечении плавного перехода от диаметра D₀ защитного элемента к диаметру провода d_П. Напряжения от изгиба на выходе из поддерживающего зажима σ_п и σ_зэ непосредственно для провода АС 120/19 и для провода с приваренным к нему защитным элементом равны соответственно

где W_n - момент сопротивления провода, ;

W_зэ - момент сопротивления провода с защитным элементом,

после подстановки в формулы (16) и (17) численных значений приведенных в них величин получим, что напряжение от изгиба на выходе из поддерживающего зажима σ_п и σ_зэ составляет соответственно 5,444 и 0,68 Н/мм².

Согласно кривой Веллера безопасных изгибных напряжений [7] была определена вероятностная оценка чисел циклов колебаний до разрушения провода на выходе из поддерживающего зажима при отсутствии защитного элемента и при его наличии, которая составила соответственно 10⁹ и 10¹⁰ циклов. Таким образом, применение предложенного способа позволяет как минимум в 10 раз увеличить ресурсную стойкость провода при его вибрации.

Наряду с повышением ресурсной стойкости провода предложенный способ позволяет предотвратить аварии линий электропередачи из-за механических перегрузок проводов в случае возникновении пляски проводов, вызванной сочетанием значительных ветровых нагрузок с гололедными отложениями. В наиболее опасном сечении провода, в месте его выхода из поддерживающего зажима, возникает суммарное напряжение от растяжения провода и от его изгиба. При пляске проводов существенно увеличивается натяжение провода Т вследствие того, что удельные нагрузки на провод от веса провода, покрытого гололедом, и давления ветра на покрытый гололедом провод могут в несколько раз превышать нагрузки от собственного веса провода (для провода АС 120/19 более чем в 5 раз [8]). Кроме того, при воздействии на провод воздушного потока со скоростью, достигающей 30 м/с, происходит увеличение знакопеременного изгибающего момента, действующего в этом сечении. При этом эффективность предложенного способа защиты от повреждения проводов в этом случае определяется значительным снижением в опасном сечении провода, с коаксиально приваренным к нему защитным элементом, максимального напряжения ах, равного сумме напряжений от растяжения и от изгиба . Это обусловлено тем, что площадь сечения системы провод с защитным элементом и ее момент сопротивления существенно, соответственно в 4 и 8 раз, превышают указанные величины собственно для провода.

Источники информации

1. Патент РФ №2435265, M. кл. H02G 7/02.

2. Патент РФ №2190288, M. кл. H02G 7/14.

3. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. T 1. М.: Наука, 1965. 364 с.

4. Правила устройства электроустановок. М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. 607 с.

5. Евсеев Р.Е. Термитная сварка в электромонтажном производстве. М.: Из-во литературы по строительству, 1968. 127 с.

6. Трофимов С.В. Оценка эффективности протектора, устанавливаемого для защиты провода на выходе из поддерживающего зажима // Электрические станции, 2004. - №2. - С. 42-46.

7. Методические указания по типовой защите от вибрации и субколебаний проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи напряжением 34-750 кВ. РД 34.20.182-90. М., 1991. 41 с.

8. Справочник по электрическим сетям высокого напряжения. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. 560 с.