В последнее время одним из наиболее насущных вопросов как для предприятий, производящих кабельно-проводниковую продукцию, так и предприятий-потребителей является вопрос снижения ее себестоимости. На сегодняшний день одним из путей уменьшения затрат на производство кабельно-проводниковой продукции является использование более дешевых конструкционных материалов [1, 7]. В частности, для изготовления силовых кабелей на среднее напряжение [6] все более широкое применение находят экраны, выполненные из алюминия или алюминиевых сплавов (вместо медных экранов), что вызывает необходимость обоснования такого технического решения. В данной статье проводится сравнение проволоки, предназначенной для изготовления экранов, выполненной из электротехнического алюминия и термокоррозионностойкого алюминиевого сплава (ТАС).
На рис. 1 представлена конструкция кабеля среднего напряжения с алюминиевым проволочным экраном.
Известно, что при работе кабеля в штатном режиме температура экрана не превышает 60–70 °С. Однако при возникновении аварийной ситуации в условиях короткого замыкания температура экрана может увеличиться до 250 °С [4] и выше. При протекании токов короткого замыкания на кабельную линию оказывается существенное электродинамическое воздействие, в результате которого ослабленные нагревом проволоки могут деформироваться и разрушаться. Это, в свою очередь, может привести к увеличению сопротивления контакта, локальному перегреву и преждевременному выходу кабеля из строя.
Рис. 1. Кабель среднего напряжения с алюминиевым проволочным экраном
Для исследования влияния термического воздействия на механические характеристики проволок из алюминия и ТАС был проведен ряд экспериментов. Образцы проволок длиной 300 мм и диаметром 2,5 мм предварительно нагревались током до температур 150, 200, 250 и 300 °С в течение пяти секунд и охлаждались на воздухе. Далее с помощью универсальной машины Walter Bai LFM 50 T проводились испытания на статическое растяжение при скорости нагружения 10 Н/(мм2∙с) [2, 5, 8]. Начальная расчетная длина образца проволоки составляла 200 мм.
На рис. 2, 3 представлены кривые деформирования образцов электротехнического алюминия и термокоррозионностойкого алюминиевого сплава.
В табл. 1 приведены значения пределов прочности исследуемых материалов.
Рис. 2. Деформационные кривые проволоки из электротехнического алюминия: 1 – без предварительного нагрева; 2 – температура предварительного нагрева 150 °С; 3 – 200 °С; 4 – 250 °С; 5 – 300 °С
Рис. 3. Деформационные кривые проволоки из сплава ТАС: 1 – без предварительного нагрева; 2 – температура предварительного нагрева 150 °С; 3 – 200 °С; 4 – 250 °С; 5 – 300 °С
Таблица 1
Пределы прочности проволок из алюминия и сплава ТАС
|
№ п/п |
Температура предварительного нагрева, °С |
σп, МПа |
|
|
ТАС |
Алюминий |
||
|
1 |
Без предварительного нагрева |
182 |
176 |
|
2 |
150 |
182 |
174 |
|
3 |
200 |
178 |
167 |
|
4 |
250 |
175 |
158 |
|
5 |
300 |
163 |
121 |
Таблица 2
Удельное электрическое сопротивление алюминия и сплава ТАС
|
№ п/п |
Температура предварительного нагрева, °С |
Удельное сопротивление при 20 °С ρ, Ом м |
|
|
ТАС |
Алюминий |
||
|
1 |
Без предварительного нагрева |
2,89·10-8 |
2,81·10-8 |
|
2 |
150 |
2,90·10-8 |
2,80·10-8 |
|
3 |
200 |
2,89·10-8 |
2,82·10-8 |
|
4 |
250 |
2,87·10-8 |
2,80·10-8 |
|
5 |
300 |
2,89·10-8 |
2,81·10-8 |
Из анализа результатов можно сделать вывод о том, что механическая прочность проволок из сплава ТАС выше прочности алюминия как при начальных условиях, так и после нагрева до температуры 300 градусов. Можно отметить, что ТАС является более стабильным материалом по характеру поведения и разбросу свойств, а также менее чувствительным к температурным перегревам. Так изменение значения предела прочности ТАС во всем диапазоне температур предварительного нагрева не превышает 11 %, в то время как для алюминиевых проволок эта величина составляет 45 %. Отличие по значению предела прочности при 300 °С для двух материалов составляет 34 %, при этом значение относительного удлинения после разрыва для сплава ТАС в ряде экспериментов более чем в 2 раза выше.
Для оценки влияния термического воздействия на электрические характеристики проволок из двух исследуемых материалов после предварительного нагрева и охлаждения до комнатной температуры были измерены удельные электрические сопротивления [3]. Результаты, полученные на измерителе сопротивления жил кабеля «КИС», представлены в табл. 2. Из таблицы видно, что удельное электрическое сопротивление обоих материалов практически не зависит от температуры предварительного нагрева в рассматриваемом диапазоне. При этом
.
Таким образом, при замене медных экранов силовых кабелей среднего напряжения на экраны из электротехнического алюминия или его сплавов, помимо экономической целесообразности, необходимо учитывать их эксплуатационные характеристики. Так, исходя из результатов проведенных исследований, можно сделать вывод, что существенным преимуществом сплава ТАС по отношению к электротехническому алюминию является высокая стабильность его механических характеристик после термического воздействия в аварийных ситуациях. При этом разница удельных электрических сопротивлений сплава ТАС и электротехнического алюминия не превышает 3 %.
Рецензенты:
Сметанников О.Ю., д.т.н., доцент кафедры вычислительной математики и механики, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь;
Бочкарев С.В., д.т.н., профессор кафедры микропроцессорных средств автоматизации, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь.