Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

APPLICATION OF ALUMINUM AND ALUMINUM ALLOYS WIRE FOR POWER CABLE SCREEN MANUFACTURING ON MEDIUM VOLTAGE

Savchenko V.G. 1 Trufanova N.M. 2 Sсherbinin A.G. 2 Subbotin E.V. 2 Terlych A.E. 2
1 Limited Liability Company «Development enterprise «Elkacable»
2 Perm State National Research Politechnical University
Одним из путей уменьшения затрат при производстве силовых кабелей на среднее напряжение является замена медных экранов на экраны, выполненные из алюминия или алюминиевых сплавов. Для оценки эксплуатационных характеристик проволоки из электротехнического алюминия и термокоррозионностойкого алюминиевого сплава были проведены экспериментальные исследования механических и электрических свойств при нормальных условиях и после термического воздействия. Для воспроизведения условий аварийного режима работы силового кабеля при коротком замыкании предварительный нагрев образцов проволок проводился путем приложения кратковременной токовой нагрузки. Установлено, что после термического воздействия удельные электрические сопротивления исследуемых материалов практически не изменились, при этом термокоррозионностойкий алюминиевый сплав показал более высокую стабильность механических характеристик.
One way to reduce manufacture costs of medium-voltage power cables is to replace the copper screens by aluminum screens or aluminum alloy screens. The experimental investigations of mechanical and electrical properties under normal conditions and after exposure to heat for estimate of operating characteristics aluminum wire and aluminum alloy wire were carried out. Preheating of wire samples was carried out by application of short-term current rating for reproduce the emergency operation of power cable during short-circuit. It is established that, after thermal exposure specific electrical resistance of test materials practically unchanged but aluminum alloy showed higher stability of mechanical characteristics.
power cables screen
aluminum
aluminum alloy
mechanical and electrical characteristics
1. Belyj D.I. Aljuminievye splavy dlja tokoprovodjashhih zhil kabelnyh izdelij [Aluminium alloys for current-carrying conductors of cable products]. Kabeli i provoda. 2012. no. 1 (332). pp. 8–15.
2. GOST 10446-80 (ST SJeV 835-89, ISO 6892-84). Provoloka. Metod ispytanija na rastjazhenie [Wire. Tensile test method].
3. GOST 7229-76. Kabeli, provoda i shnury. Metod opredelenija jelektricheskogo soprotivlenija tokoprovodjashhih zhil i provodnikov. [Cables, wires and cords. Method of measurement of electrical resistance of conductors].
4. GOST R MJeK 60968-2009. Predelnye temperatury jelektricheskih kabelej na nominalnoe naprjazhenie ot 6 kV (Um = 7,2 kV) do 6 kV (Um = 36 kV) v uslovijah korotkogo zamykanija. [Short-circuit temperature limits of electric cables with rated voltages from 6 kV (Um = 7,2 kV) up to 30kV (Um = 36 kV)].
5. Kallister U., Retvich D. Materialovedenie: ot tehnologii k primeneniju (metally, keramika, polimery) [Materials science: from technology to application (metals, ceramics, polymers)]. SPb.: Nauchnye osnovy i tehnologii. 2011. 896 p.
6. Osnovy kabelnoj tehniki [Fundamentals of cable technology]. Pod red. I.B. Peshkova. Moskva: Akademija. 2006. 427 p.
7. Peshkov I.B. Sostojanie i perspektivy primenenija aljuminija v kabelnoj promyshlennosti [Status and prospects of application of aluminum in the cable industry]. Kabeli i provoda. 2009. no. 1 (314). pp. 7–9.
8. Honikomb R. Plasticheskaja deformacija metallov [Plastic deformation of metals]. M.: Mir. 1972. 406 p.

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.

pic_39.tif

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.

pic_40.tif

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

pic_41.tif

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

savchen01.wmf.

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.