TUBULAR CONDUCTORS USAGE FOR REDUCING POWER LOSSES IN POWER LINES

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРУБЧАТЫХ ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В ЛЭП

Научная статья

Ахметшин Р.С.¹, Пичугин П.И.^2, *

² ORCID: 0000-0002-3911-6348;

¹ Набережночелнинский институт Казанского федерального университета, Набережные Челны, Россия;

² Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт», Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (PavelPichugin999[at]yandex.ru)

Аннотация

В данной статье изучается возможность применения трубчатых проводников с цельным алюминием в качестве альтернативы классическим многожильным проводам для уменьшения потерь мощности и напряжения при передаче электроэнергии. Предварительно был выполнен обзор современных видов проводов, используемых в воздушных линиях электропередач, выявлены их достоинства и недостатки. Расчётным путём было установлено, что трубчатые проводники будут обладать меньшим активным сопротивлением и меньшим погонным индуктивным сопротивлением в трёхфазной системе, что позволит сократить потери мощности и увеличить пропускную способности линии. Был рассмотрен возможный технический метод их производства, оценена перспектива улучшения механических свойств предлагаемых проводников посредством использования композитного сердечника.

Ключевые слова: трубчатые проводники; потери мощности; активное сопротивление; индуктивное сопротивление; плакирование. 

TUBULAR CONDUCTORS USAGE FOR REDUCING POWER LOSSES IN POWER LINES

Research article

Akhmetshin R.S.¹, Pichugin P.I.^2, *

² ORCID: 0000-0002-3911-6348;

¹ Naberezhnye Chelny Institute of Kazan Federal University, Naberezhnye Chelny, Russia;

² National Research University “Moscow Power Engineering Institute”, Moscow, Russia

* Corresponding author (PavelPichugin999[at]yandex.ru)

Abstract

This paper explores the possibility of using tubular conductors with solid aluminum as an alternative to classic stranded wires to reduce power and voltage losses during power transmission over power lines. The author carried a preliminary review of the modern types of wires used in overhead power lines, identified their advantages and disadvantages. According to the calculation it was found that the tubular conductors have less active resistance and less linear inductive resistance in a three-phase system, which reduces power losses and increases line throughput. The author considers a possible technical method of their production, and analyses the prospects of improving the mechanical properties of the proposed conductors through the use of a composite core.

Keywords: tubular conductors; power loss; active resistance; inductive reactance; cladding. 

Введение

Одной из составляющих общих потерь в электрических сетях являются технические потери, которые обуславливаются физическими процессами рассеивания энергии. В России за последние годы технические потери в среднем составляют 10,8%, в то время этот показатель для ряда европейских стран в два раза меньше.

Потери электроэнергии в сетях – один из важнейших показателей работы электросетевого предприятия, отражающий техническое состояние и качество эксплуатации электрических сетей, уровень морального и технического старения. «Уменьшение потерь электроэнергии в сетях различного назначения является одним из основных направлений реализации энергосберегающей политики в стране и в мире» [1, С. 50].

Из всех объектов электрических сетей на линии электропередач (ЛЭП) приходится значительная часть всех потерь электрической энергии, составляющая 65%, из которых 60% являются нагрузочными потерями, 5% относятся к потерям на холостой ход и корону [2]. Исходя из этого, ЛЭП являются приоритетным объектом, к которому должны быть применены мероприятия по повышению энергоэффективности.

Поскольку потери активной ΔP и реактивной ΔQ мощности, а также потеря напряжения ΔU (пренебрегая поперечной составляющей падения напряжения) прямо пропорциональны активному и реактивному сопротивлению линию [3], то одним из технических мероприятий по снижению потерь электрической энергии и величины потери напряжения может быть замена проводов на провода с большим сечением, соответственно, с более низким сопротивлением (также и для увеличения пропускной способности).

Анализируя конструкции использующихся в настоящее время и новейших образцов проводов ЛЭП, можно прийти к выводу, что в них сохраняются недостатки, приводящие к увеличению потерь мощности. Цель статьи состоит в рассмотрении современных видов проводов и изучении предлагаемого нами варианта конструктивного исполнения провода ЛЭП, имеющего меньшее активное и реактивное сопротивление по сравнению с классическими.

Основная часть

Наибольшее распространение на воздушных линиях (ВЛ) получили неизолированные сталеалюминиевые провода. Стальной сердечник служит для обеспечения необходимой механической прочности, а токопроводящей частью является алюминий. Проводимость стального сердечника не учитывается, как и поверхностный эффект, которым при промышленной частоте 50 Гц можно пренебречь вследствие значительной толщины проникновения тока в проводник. Основные, широко применяемые сталеалюминиевые провода марок АС, АСКС, АСКП и АСК являются многопроволочными, то есть поверх стального сердечника располагаются алюминиевые проволоки, скрученные определённым образом. Недостаток таких проводов состоит в том, что возникающие вследствие атмосферной электрохимической коррозии алюминия окислы между жилами провода ведут к повышению электрического сопротивления мест соприкосновения жил [4]. Коэффициент заполнения провода K_з (доля сечения, приходящаяся на металл) составляет 0,75, что заметно ниже у инновационных видов проводов (0,9-0,95), речь о которых пойдёт ниже.

С недавних пор также производятся и эксплуатируются провода, токопроводящей частью которых являются различные сплавы алюминия, например, Al-Si-Mg или алюминий-циркониевый Al-Zr сплав. Несмотря на то, что провода на основе обоих сплавов отличаются термостойкостью и увеличивают пропускную мощность ВЛЭП, более высокое удельное электрическое сопротивление сплавов по сравнению с алюминием ведёт к увеличению потерь в линии, а преимущество проводов с Al-Zr сплавом ощутимо в основном при относительно высоких температурах окружающей среды. Применение проводов из сплавов также требует должного уровня термостойкости и нагрузоустойчивости арматуры ВЛЭП, что делает их использование целесообразным на коротких участках ЛЭП и при необходимости большого запаса по пропускной способности в случае аварийных коммутаций [5, С. 13].

Другой путь повышения пропускной способности ВЛЭП состоит в применении компактных проводов. Их суть состоит в изменении конфигурации проволок в составе провода с целью увеличения коэффициента заполнения K_з рабочего сечения, что в свою очередь позволяет уменьшить диаметр провода при той же пропускной способности. В качестве примеров таких проводов можно привести провода с Z-образными или стреловидными проволоками (рис. 1). Преимущество данных проволок перед проволоками с трапециевидным профилем, являющимся классическим для компактного провода, состоит в отсутствии выталкивания повреждённой проволоки вследствие клинового эффекта [5, С. 10].

 

Рис. 1 – Сечения компактных проводов: а) с Z-образными проволоками; б) со стреловидными проволоками

 

Главным образом данные конфигурации помогают решить проблемы обледенения проводов, снижения уровня усталости металла в проводе и полного предотвращения внутренней коррозии провода [6, С. 71]. Недостатком как традиционного провода АС, так и новых видов проводов с профилированными проволоками, является тот факт, что каждая жила оказывает магнитное влияние на другие вследствие явления взаимоиндукции, что приводит к возникновению в каждой жиле противодействующей электродвижущей силы, эффект от которой аналогичен повышению индуктивного сопротивления жилы.

Проведя вышеизложенный анализ существующих видов проводов, мы предлагаем иную модификацию сталеалюминиевого провода, лишённую недостатков, приведённых у упомянутых видов. Согласно варианту, на стальном сердечнике должна располагаться не скрутка алюминиевых жил, а цельный полый алюминиевый проводник, имеющий профиль трубы. Далее покажем, что данная геометрия трубчатого провода будет иметь меньшее активное и индуктивное сопротивления, обуславливающие потери мощности в линии. Замена классических сталеалюминиевых проводов на данный вид нашла бы применение для перегруженных линий или для линий с большим сроком эксплуатации, при котором значителен износ проводов, а также для вновь строящихся ЛЭП.

Для сравнения возьмём провод длиной l=1 м марки АС 70/11. Он состоит из n=6 алюминиевых проволок диаметром d₀=3,8 мм, симметрично расположенных вокруг стального сердечника диаметром d_серд=3,8 мм (рис. 2).

 

Рис. 2 – Провод АС 70/11

В предлагаемом варианте данный провод алюминиевые жилы заменяются на цельный алюминий так, чтобы внешний диаметр провода остался неизменным (рис. 3).

 

Рис. 3 – Видоизменённый провод АС 70/11

 

1. Сравнение активных сопротивлений проводов.

Поскольку ток в первом варианте растекается по 6 жилам, то результирующее активное сопротивление можно найти, рассматривая параллельное соединение шести жил и поделив сопротивление одной жилы на n=6. Сопротивление одной жилы найдём по формуле:

   (1) где ρ – удельное активное сопротивление материала провода. Для алюминия  S – площадь поперечного сечения жилы, которую можно найти следующим образом:     (2) Произведём расчёт. Площадь поперечного сечения жилы S равна:       (3) Сопротивление одной жилы R₁ и всего провода R соответственно равны:    (4)    (5) Для второго варианта провода нужно найти площадь поперечного сечения алюминиевой части S_Al:    (6) Сопротивление всего провода R₀ во втором варианте равно:     (7)

Отсюда видим, что активное сопротивление модифицированного провода ниже, чем у первого, на:

    (8)

2. Сравнение индуктивных сопротивлений проводов в трёхфазных линиях электропередач

В трёхфазных ЛЭП индуктивность одного провода определяется как собственной L индуктивностью, так и взаимной индуктивностью между другими двумя проводами. Эквивалентная индуктивность одного провода L₀ находится по методу симметричных составляющих, из [7] находим формулу:

    (9)

Собственная индуктивность полого провода L (учитывая внутреннюю индуктивность алюминия) конфигурации, изображённой на рис. 3, находится по формуле [8]:

   (10)

где r – внешний радиус провода, r=d_пр/2;

c – величина, берущаяся из таблицы [8] в зависимости от отношения внутреннего радиуса полости к внешнему радиусу;

μ₀ – магнитная постоянная (относительная магнитная проницаемость алюминия с большой степенью точности равна 1), μ₀=4π·10^-7 Гн/м;

l – длина провода.

Взаимная индуктивность M между проводами трёхфазной линии находится по следующей формуле [7]:

   (11)

где D - среднегеометрическое расстояние между проводами трёхфазной ЛЭП. Примем для дальнейших расчётов D=5 м (110 кВ).

Получаем формулу для эквивалентной индуктивности L₀:

    (12)

Отсюда находим погонное сопротивление X_пог на 1 км длины провода l, приводимую в справочных данных:

     (13)

где f – частота тока, f=50 Гц.

Для сравнения индуктивных сопротивлений двух вариантов проводов возьмём 4 различных провода: АС 70/11, АС 95/16, АС 120/19, АС 240/56. Определяя их внутренний r_внут (d_серд/2) и внешний r радиусы [9], и коэффициент с из [8], рассчитаем погонные индуктивности для этих четырёх марок. Взяв из справочных значений [10] погонные индуктивности для традиционных многожильных проводов, произведём относительно них сравнение рассчитанных значений. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнение погонных индуктивных сопротивлений

Марка Параметр	АС 70/11	АС 95/16	АС 120/19	АС 240/56
Внутренний радиус rвнут, мм	1,9	2,25	2,775	3,6
Внешний радиус r, мм	5,7	6,75	7,6	10,8
Отношение rвнут/r	0,333	0,333	0,365	0,333
Коэффициент с	0,8153	0,8153	0,8217	0,8153
Погонное сопротивление для полого провода Xпог, Ом/км	0,4386	0,4280	0,4201	0,3985
Погонное сопротивление для традиционного провода Xтрад, Ом/км	0,444	0,434	0,427	0,405
Разница относительно Xтрад, %	-1,21	-1,38	-1,63	-1,61

 

Из расчётов в двух пунктах видно, что погонное индуктивное сопротивление полых проводов ниже, чем таковое у традиционных многожильных проводов (на 1,2-1,6%), несмотря на параллельное соединение жил в последних. Разница в значениях хотя и не столь значительная, но более высокое индуктивное сопротивление многожильных проводов предопределяет дополнительные потери мощности в сети. Особо значительная разница наблюдается в активных сопротивлениях проводов. Пониженный коэффициент заполнения многожильных проводов по сравнению с предлагаемыми полыми, а также дополнительное образование окислов между жилами в процессе эксплуатации приводят к значительным потерям активной мощности (в примере 25%). Отсюда можно сделать вывод, что по своим электрическим характеристикам полые провода предпочтительнее классических многожильных.

Особо стоит остановиться на вопросе технического производства такого вида провода. В России впервые освоено производство стальной проволоки, плакированной алюминием. «Плакирование — метод нанесения тонкого защитного слоя металла на поверхность другого металла или сплава термомеханическим способом» [11, С. 44]. Процесс изготовления заключается в волочении алюминиевой трубы, внутрь которой вставлен сердечник из стали. В результате диффузии под влиянием совместной деформации горячей заготовки происходит сцепление между металлами. Плакированная стальная проволока находит применение в изделиях, требующих повышенной коррозионной и механической стойкости, при высоких температурных нагрузках. Хотя этот метод и служит для защиты поверхности одного металла другим, он вполне может быть использован для производства цельных алюминиевых проводов, поскольку в результате получается стальной сердечник со слоем алюминия на его поверхности.

Поскольку нагрузка на стальной сердечник у полого провода будет выше, чем у многожильного, то в случае невыполнения стальным сердечником расчётных механических нагрузок можно рассмотреть его замену на композитный сердечник, разработка проводов с которым в настоящее время активно развивается. Провода с композитным сердечником (с алюминиевой или полимерной матрицей) имеют весьма высокие прочностные характеристики, меньшую массу, устойчивость к провисанию и высокую термостойкость [5, С. 14].

Заключение

Таким образом, применение полых (трубчатых) проводов для передачи электроэнергии благодаря наличию у них более низких активных и индуктивных сопротивлений способствует снижению электрических потерь мощности и потерь напряжения при передаче электроэнергии, что повышает энергоэффективность всей ЛЭП в целом. Производство трубчатых проводников может производиться с помощью метода плакирования. Перспективным бы был вопрос использования композитных сердечников для данного вида провода.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Геркусов А.А. Технико-экономическое нормирование потерь электроэнергии в воздушных линиях электропередачи напряжением 110 кВ и выше / Геркусов А.А., Макаров В.М. // Вестник ИГЭУ. – 2016. – № 4. – С. 49 – 56.
2. Лыкин А.В. Электрические системы и сети: Учеб. пособие / Лыкин А.В. – М.: Университетская книга; Логос, 2008. – 254 с.
3. Идельчик В.И. Электрические системы и сети / Идельчик В.И. – М.: Энергоатомиздат, 1989. - 592 с.: ил.
4. Шкрабец Ф.П. Влияние коррозии алюминия на электрические параметры ЛЭП / Ф.П. Шкрабец, П.Ю. Красовский // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. - 2007. - Вип. 79. - С. 36-39.
5. Лопарев В.В. Об особенностях современных неизолированных проводов для воздушных линий электропередачи / В.В. Лопарев, Ю.В. Образцов // Кабели и провода. – 2014. – № 6. – С. 9–15.
6. Курьянов В.Н. Инновационные высокоэффективные провода для линий электропередачи / В.Н. Курьянов, M.M. Султанов, В.А. Фокин и др. // Энергия единой сети. – 2016. – №4 (27). – С. 70-78.
7. Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники: в 3-х т. Учебник для вузов. Том 3. –4-е изд / Демирчян К.С. , Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. – СПб.: Питер, 2003. – 377 с.: ил.
8. Калантаров П. Л. Расчёт индуктивностей. Справочная книга / Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А.— Ленинград: «Энергия», 1986. — 488 с.
9. АС – неизолированный сталеалюминиевый провод – URL: https://linijaopory.ru/as-neizolirovannyj-stalealyuminievyj-provod/ (дата обращения: 07.11.2019).
10. Ершевич В.В.Справочник по проектированию электроэнергетических систем [Текст] / В.В.Ершевич, А.Н. Зейлигер, Г.А. Илларионов [и др.]; под ред. С.С. Рокотяна и И.М. Шапиро. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352 с.
11. Боксимер М. Э. Инновации на энергетическом рынке / М.Э. Боксимер // ЭнергоStyle. – 2011. – №2 (15). – С. 44-45.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gerkusov A.A. Tekhniko-ekonomicheskoye normirovaniye poter' elektroenergii v vozdushnykh liniyakh elektroperedachi napryazheniyem 110 kV i vyshe [Technical and economic standardization of electricity losses in overhead power transmission lines with voltage of 110 kV and higher] / Gerkusov A.A., Makarov V.M. // Vestnik IGEU [Bulletin of Ivanovo State Energy University]. – 2016. –№ 4. – 49 – 56. [in Russian]
2. Lykin A.V. Elektricheskiye sistemy i seti: Ucheb. posobiye [Electrical systems and networks. Textbook] / Lykin A.V. – M.: Universitetskaya kniga [University book]; Logos, 2008. – 254 p. [in Russian]
3. Idelchik V.I. Elektricheskiye sistemy i seti [Electrical systems and networks. Textbook] / Idelchik V.I. – M.: Energoatomizdat, 1989. - 592 p.: il. [in Russian]
4. Shkrabets F.P. Vliyaniye korrozii alyuminiya na elektricheskiye parametry LEP [The influence of aluminum corrosion on the electrical parameters of power transmission lines]/ Shkrabets F.P., Krasovskiy P.Yu. Gírnicha yelektromekhaníka ta avtomatika [Mining Electromechanics and Automation]: Nauk. - tekhn. zb. [Scientific and Technical collection] - 2007. - Issue. 79. - P. 36-39. [in Russian]
5. Loparev V.V. Ob osobennostyakh sovremennykh neizolirovannykh provodov dlya vozdushnykh liniy elektroperedachi [About the features of modern non-insulatede wires for overhead power transmission lines] / Loparev V.V., Obraztsov Yu.V. // Kabeli i provoda [Cables and wires]. – 2014. – № 6. – P. 9–15. [in Russian]
6. Kur'yanov V.N. Innovatsionnyye vysokoeffektivnyye provoda dlya liniy elektroperedachi / N. Kur'yanov, M.M. Sultanov, V.A. Fokin et al. // Energiya yedinoy seti [Innovative high-performance wires for power transmission lines // Energy of a unified network]. – 2016. – № 4 (27). – P. 70-78. [in Russian]
7. Demirchyan K.S.Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniki: v 3-kh t. Uchebnik dlya vuzov. Tom 3 [Theoretical foundations of electrical engineering: in 3 volumes. Textbook for Universities. Volume 3] / Demirchyan K.S., Neyman L.R., Korovkin N.V., ChechurinV.L. – 4-edition. – SPb.: Piter, 2003. – 377 p.: il. [in Russian]
8. Kalantarov P. L. Raschot induktivnostey. Spravochnaya kniga [Calculation of inductances. Handbook] / Kalantarov P. L., Tseytlin L. A. — Leningrad: «Energiya», 1986. — 488 p. [in Russian]
9. AS – neizolirovannyy stalealyuminevyy provod [AS - non-insulated steel-aluminum wire] – URL: https://linijaopory.ru/as-neizolirovannyj-stalealyuminievyj-provod/ (date of access: 07.11.2019). [in Russian]
10. Yershevich V.V. Spravochnik po proyektirovaniyu elektroenergeticheskikh system [Power Systems Design Handbook] / V.V. Yershevich, A.N. Zeylinger, G.A. Illarionov [et al.]; pod red. Rokotyana S.S. i Shapiro I.M. - 3-edition., pererab. i dop. -M.: Energoatomizdat, 1985. - 352 p. [in Russian]
11. Boksimer M. E. Innovatsii na energeticheskom rynke [Energy Market Innovations] / M. E. Boksimer // EnergoStyle. – 2011. – №2 (15) – 44-45. [in Russian]