Рис.2. Линия электропередачи с термокомпенсаторами и

Белорусский национальный технический
университет
Энергетический факультет
Кафедра 'Электрические системы'
Профессор Федин Виктор Тимофеевич
Инновационные технические решения в
системах производства, передачи и
распределения энергии
Продвижение инновационных
технических решений в область
знаний и производства
Продвижение инновационных технических решений в область
знаний и производства
Возникновение идеи, разработка заявки на изобретение
0, 5 года
Подача и рассмотрение заявки, получение патента
1,5 – 2 года
Опубликование статьи
1 – 2 года
Опубликование монографии
2 - 3 года
Издание учебного пособия
2 – 3 года
Издание учебника
2 -3 года
Реализация на практике
• Тема 1. Воздушные линии электропередачи с элементами из
материалов с памятью формы
• СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
• Эффект памяти формы – явление возврата к первоначальной форме
при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после
предварительной деформации.
При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются,
а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые
структуры – мартенситные пластины, что не является необычным для
металлических сплавов.
•
•
•
•
•
•
Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий. При
нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают
внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть
сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.
Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются,
материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою
исходную структуру, а вместе с ней и форму.
Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами:
1) маркой сплава со строго выдержанным химическим составом;
2) температурами мартенситных превращений.
В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют мартенситные превращения двух
видов – прямое и обратное. Соответственно, каждое из них проявляется в своем
температурном интервале: и – начало и конец прямого мартенситного превращения при
деформации, и — начало и конец обратного мартенситного превращения при нагреве .
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Эффект памяти формы проявляется несколько миллионов циклов; его можно
усиливать предварительными термообработками.
Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда материал при одной
температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре – другую.
Другим явлением, тесно связанным с эффектом памяти формы, является
сверхупругость – свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения,
значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать
первоначальную форму после снятия нагрузки.
Сверхупругое поведение на порядок выше упругого. Сверхупругость наблюдается в
области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом
обратного.
Лидер среди материалов с памятью формы - никелид титана. Никелид титана – это
интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас. %Ni.
Сплав обладает хорошей ударной вязкостью, высоким пределом выносливости, легко
куется и сваривается, хорошо демпфирует вибрацию, не коррозирует в морской воде,
не окисляется до 600 градусов Цельсия, не растрескивается под напряжением, не
магнитен .
Температура фазового превращения нитинола может изменятся от –160 до +330 путем
изменения в сплаве содержания титана, никеля и легирующих присадок .
Достоинства никелида титана :
1) превосходной коррозионной стойкостью;
2) высокой прочностью;
3) хорошими характеристиками формозапоминания:
4) хорошая совместимость с живыми организмами;
5) высокая демпфирующая способность материала.
• Недостатки:
• 1) из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород
(чтобы предотвратить реакции с этими элементами при производстве
надо использовать вакуумное оборудование);
• 2) затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно
резанием;
• 3) высокая цена (по некоторым данным стоимость 1 кг сырья
нитинола составляет 3000 российских рублей ).
• Эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. В их
числе:
1) Au-Cd, разработан в 1951 году в Иллинойском университете,
США;
• 2) Cu-Zn-Al, наряду с никелидом титана имеет практическое
применение (температуры мартенситных превращений в интервале
от −170 до +100 ˚C);
• 3) Cu-Al-Ni, разработан в университете города Осака, Япония
(температуры мартенситных превращения в интервале от 100 до 200
˚C);
•
4) Fe-Mn-Si (сплавы этой системы наиболее дешевые) .
Термокомпенсаторы для воздушных линий
электропередачи
3
2
б)
2
1
3
3
3
3
2
3
2
3
в)
1
4
4
3
а)
г)
4
5
Рис. 1. Термокомпенсатор:
а – установка на линии; б – при охлажденном состоянии с
возросшим тяжением;
в – при нагреве в сокращенном состоянии; г – с ферромагнитным
экраном
tмакс
1
tпр = tтк
tмин
2
I, A
Рис.2. Области заданной температуры провода и температуры
срабатывания термокомпенсатора
Тема:
ВЛ с элементами из
материалов с памятью формы
Подготовил:
Руководитель:
ст. гр. 106218
Д.Л. Толкач
к.т.н., проф.
В.Т. Федин
Известные патенты
воздушных линий электропередачи
с элементами из материалов
с эффектом памяти формы
Эффект памяти формы – явление возврата
к первоначальной форме при нагреве, которое
наблюдается у некоторых материалов после
предварительной деформации.
Авторское свидетельство № 754541, 1980г.
«Воздушная линия электропередачи»
Авторы: М.Т. Романенко, В.Е. Шестеренко, Р.Ф. Гурбич, П.И.
Бологов, Л.М. Бологова (Украина)
Фиг.1 – пролет ЛЭП с термокомпенсатором;
Фиг.2 – термокомпенсатор при охлаждении ниже мартенситной
точки;
Фиг.3 – термокомпенсатор при температуре выше точки начала
прямого мартенситного превращения;
Фиг.4, 5, 6 – варианты исполнения термокомпенсатора.
Авторское свидетельство № 811382, 1981г.
«Устройство для сброса гололедных отложений с проводов и
тросов линий электропередачи»
Авторы: М.Т. Романенко, В.Е. Шестеренко, Р.Ф. Гурбич, С.Е. Вакуленко, В.В. Лях
(Украина)
Фиг.1 – вид устройства вдоль проводов;
Фиг.2 – то же, вид сбоку.
1 – разъемные скобы; 2 – ролики; 3 – грозозащитные тросы;
4 – пружины; 5 – электрическая связь; 6 – траверса; 7 – провода ЛЭП;
8 – гирлянды изоляторов.
Фиг.3 – вариант электрического соединения грозозащитных тросов.
9 – грозозащитный трос; 10 – электрический разрыв; 11 – пружины;
12 – электрическая связь.
Авторское свидетельство № 868905, 1981г.
«Термокомпенсатор»
Авторы: Н.Н. Орлов, М.Т. Романенко, В.Е. Шестеренко, С.Е.
Вакуленко (Украина)
Фиг.1 – термокомпенсатор (в качестве одной из опор использован
компенсируемый провод, а в качестве второй отрезок провода);
Фиг.2 – термокомпенсатор (в качестве опор использованы отрезки
проводов).
Фиг.3 – термокомпенсатор (в качестве одной из опор использован
компенсируемый провод, а вторая выполнена в виде изолятора с
закрепленными на нем оттяжками, соединенными роликами с компенсируемым
проводом);
Фиг.4 – термокомпенсатор (в качестве опор использованы участки
расщепленной фазы между распорками).
Патент Японии № 59-2521, 1984г.
Схема 1 – общий вид ЛЭП и целесообразные места установки ТК;
Схема 2, 3 – ТК, расположенный в низшей точке провода;
Схема 4, 5 – ТК, расположенный вблизи гирлянды изоляторов.
Авторское свидетельство № 1280662, 1986г.
«Воздушная линия электропередачи»
Авторы: С.Е. Вакуленко, Н.Н. Орлов, М.Т. Романенко
(Украина)
1 – положение проводов, соответствующее расстановке опор по
профилю трассы (расчетное положение проводов);
2 – положение проводов, соответствующее уровню наименьших
температур;
3 – положение проводов, соответствующее уровню максимально
возможных температур;
4 – положение проводов при срабатывании термокомпенсаторов.
Авторское свидетельство № 1415309, 1988г.
«Воздушная линия электропередачи с
приспособлением для сбрасывания гололеда»
Авторы: В.Д. Абрамов, Ю.С. Бутко, С.Е. Вакуленко, В.В. Сидоров (Украина)
1 – провода; 2 – опоры; 3 – участок провода, параллельно
которому крепится термокомпенсатор; 4 – узлы крепления
термокомпенсатора; 5 – термокомпенсатор; 6 – ферромагнитный
экран; 7 – короткозамыкатель; 8 – источник питания с токовой
защитой.
Авторское свидетельство № 1753534, 1992г.
«Воздушная линия электропередачи»
Авторы: С.Е. Вакуленко, Т.В. Алешина (Украина)
Фиг.1 – ЛЭП, содержащая узел неизменной по величине направленной
нагрузки – материал с ЭСУ, общий вид;
Фиг.2 – конструктивное выполнение узла направленной нагрузки –
элемента с ЭСУ;
Фиг.3 – диаграмма деформации элемента с ЭСУ, построенная в осях
напряжение – удлинение.
Патент РФ № 2072601, 1997г.
«Воздушная линия электропередачи»
Авторы: С.Е. Вакуленко, М.Т Романенко, А.М. Куник, Т.Н.
Тарасенко (Украина)
Общий вид данной унифицированной конструкции термокомпенсатора
Общий вид линии электропередачи 110 кВ с термокомпенсатором .
Типичные зависимости сочетаний токов ВЛ и температур
окружающей среды, при которых достигается заданная температура
провода (кривая 1-2) и происходит срабатывание термокомпенсатора
(кривые 1-2, 1-3, 1-4).
Патент США № 5792983, 1998г.
а) изображение устройства термокомпенсатора в действительности;
б) схематическое изображение термокомпенсатора.
Кинематическая схема устройства термокомпенсатора.
Упрощенный вариант термокомпенсатора, в котором часть проволок
выполнена из алюминия, а часть – из материала с эффектом памяти
формы.
Патент РБ № 16087, 2012г.
«Воздушная линия электропередачи»
Авторы: В.Т. Федин, В.А. Решетник (Республика Беларусь)
Фиг.1 – пролет ВЛ с вертикальным расположением фаз.
Фиг.2 – опора с расположением проводов трех фаз в одной
вертикальной плоскости;
Фиг.3, 4 – опоры 4 с расположением проводов 1, 2, 3 в разных
вертикальных плоскостях.
Патент РБ № 16146, 2012г.
«Воздушная линия электропередачи»
Авторы: В.Т. Федин, В.А. Решетник (Республика Беларусь)
Фиг.1 – пролет ВЛ с вертикальным расположением фаз.
Фиг.2 – опора с расположением проводов трех фаз в одной
вертикальной плоскости;
Фиг.3, 4, 5 – опоры 4 с расположением проводов 1, 2, 3 в разных
вертикальных плоскостях.
Патент РБ № 16147, 2012.
«Воздушная линия электропередачи»
Авторы: В.Т. Федин, В.А. Решетник (Республика Беларусь)
Фиг.1 – пролет ВЛ с вертикальным расположением фаз.
Фиг.2 – опора с расположением проводов трех фаз в одной
вертикальной плоскости;
Фиг.3, 4, 5 – опоры 4 с расположением проводов 1, 2, 3 в разных
вертикальных плоскостях.
• Области возможного применения
термокомпенсаторов из материалов с эффектом
памяти формы на воздушных линиях
электропередачи
• 1.Увеличение длины пролета линии
• 2.Повышение пропускной способности линии по
условию нагревания
• 3.Повышение надежности пересечения воздушных
линий с инженерными сооружениями
• 4.Борьба с гололедом
• 5.Повышение пропускной способности и
экономичности линий электропередачи
f2
f1
f1
hг2
а)
hг1
ℓ1
hг1
б)
ℓ2
Рис. 1. Применение термокомпенсаторов для увеличения
длины пролета: а – норнормальная длина пролета; б –
увеличенная длина пролета
1.Увеличение длины пролета линии
f2
f2
f1
hг1
hг1
ℓ1
а)
ℓ1
б)
Рис. 2. Применение термокомпенсаторов для уменьшения высоты опор: а –
нормальная высота опоры; б – уменьшенная высота опор
• 2.Повышение пропускной способности
линии по условию нагревания
• 70 - 100..120 градусов
P  3UI доп cos
3. Повышение надежности пересечений
воздушных линий с инженерными сооружениями
верхняя линия
нижняя линия
hг
ТК
Рис. 1. Установка термокомпенсаторов на
пересечении линий электропередачи
4. Борьба с гололедом
2
а)
1
б)
1
2
4
3
2
в)
Рис. 1. Система для растапливания гололеда на проводе
воздушной линии: а – состояние провода при температуре
образования гололеда; б – состояние провода при нормальной
температуре; в – специальный провод.
5
3
7
9
5
6
7
9
1
2
6
а)
4
1
б)
6
Рис. 2. Очиститель гололеда: а – элемент с ЭПФ в “растянутом”
состоянии;
б – элемент с ЭПФ в “сжатом” состоянии
tн
10
tк
1
2
5
t, oC
Рис. 3. Зависимости деформации элемента с ЭПФ от температуры
4
2
1
6
3
Рис. 4. Устройство для сбрасывания гололеда
5
• 5. Повышение пропускной способности и
экономичности лини электропередачи
Q  Q  Qb  3I x 0   U b 0 
2
2
Верхняя фаза
2
1
3
dbc
Средняя фаза
2
1
3
f
2
dcн
Нижняя фаза
1
3
f
f
4
Рис. 1. Установка термокомпенсаторов в средней и нижней фазах
1
5
2
9
5
6
3
8
7
10
8
5
4
4
Рис.2. Линия электропередачи с термокомпенсаторами и
ферромагнитными экранами в средней и нижней фазах
6
8
2
5
5
3
9
7
5
4
8
4
Рис.3. Линия электропередачи с термокомпенсаторами и
ферромагнитными экранами в крайних фазах
1
10
5
6
2
9
5
11
5
7
5
3
9
8
5
4
12
9
4
Рис.4. Линия электропередачи с термокомпенсаторами и
ферромагнитными экранами во всех фазах
Методика расчета параметров
термокомпенсаторов
(магистрант Толкач Д.Л.)
Рис.1. Механическая характеристика термокомпенсатора при наличии
внешней нагрузки
Рис. 2. Совместная работа провода ЛЭП и термокомпенсатора
где Lm – первоначальная длина провода; – температурный коэффициент
расширения материала провода
где E – модуль упругости провода
• Новая длина
Длина провода в пролете
Где
- удельная нагрузка провода ;
- напряжение материала провода.
Уравнение состояния провода на участке hb :
На участке характеристики bе соответствующем температурному диапазону
провод работает по характеристике после повышения температуры свыше
и до повышения температуры до
• В этом случае уравнение (3) принимает вид
:
где –
характеризует изменение длины при срабатывании
термокомпенсатора.
Некоторые результаты расчетов параметров
термокомпенсаторов
Рис. 1. Зависимость стрелы провеса от температуры
термокомпенсатора длиной 3 метра в диапазоне температур
обратного мартенситного превращения
Рис. 2. Зависимость стрелы провеса от температуры
термокомпенсатора длиной 3 метра в диапазоне температур после
повышения температуры конца обратного мартенситного
превращения и до снижения ниже начала прямого мартенситного
превращения
Рис. 3. Зависимость стрелы провеса от температуры
термокомпенсатора длиной 3 метра в диапазоне температур
прямого мартенситного превращения
Рис. 4 – Зависимость стрелы провеса от температуры
термокомпенсатора длиной 6 метров в диапазоне температур
обратного мартенситного превращения
Рис. 5. Зависимость стрелы провеса от температуры
термокомпенсатора длиной 6 метров в диапазоне температур после
повышения температуры конца обратного мартенситного
превращения и до снижения ниже начала прямого мартенситного
превращения
Рис. 6. Зависимость стрелы провеса от температуры
термокомпенсатора длиной 6 метров в диапазоне температур прямого
мартенситного превращения
• При полном срабатывании термокомпенсатора длиной 6
метров, то есть при температуре 70 (режим наибольших
нагрузок), стрела провеса провода в пролете составляет
2,677 метров, что на 3,327 метра меньше стрелы провеса
провода без термокомпенсатора при той же температуре.
• При полном срабатывании термокомпенсатора длиной 3
метров при тех же условиях работы стрела провеса
провода в пролете составляет 4,315 метров, что на 1,689
метра меньше стрелы провеса провода без
термокомпенсатора.
• Таким образом, уменьшение стрелы провеса в первом
случае примерно в 2 раза больше чем во втором.
• Следовательно, комбинация термокомпенсаторов на
нижней и на средней фазах для дальнейшего
исследования выбрана правильно
• Процентное изменение предела
пропускной способности относительно
первоначального составляет:
Процентное изменение зарядной мощности линии
составит:
• Таким образом, при помощи установки
термокомпенсаторов на проводах можно
добиться значительных изменений предела
передаваемой мощности, а также
изменения зарядной мощности линии в
зависимости от режима работы.
• Следовательно, линия электропередачи
становится в некотором роде управляемым
элементом электрической системы.
• Благодарю за внимание