Analiza charakterystyk naprężeniowo-temperaturowych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlMgSi

Abstract

The dissertation is about alloy conductor (AlMgSi) creep process in overhead power lines. Based on theoretical analysis it was proved that rheological state of an overhead conductor depends on the instantaneous relation between its stress-temperature rheological equivalent (creep function) and stress-temperature equivalent of the span (conductor sag state equation). Elimination of inactive rheologically supporting steel cores in aerial power linę conductors and replacing them with highly resistant AlMgSi ałloy conductors is forced by the need to constantly increase current-carrying capacity of power lines. This solution incorporates a series of potential benefits (lower weight of conductors, ease of assembly, no corrosive contact with the steel core, favorable resistance). However, removing the steel core may result in rheological lengthening of a conductor, an in effect lowering of the tension stress and increasing sag. Although the creep process is an unequivocal function of stress and temperaturę, its intensity depends not only on their values, but, above all, on the gradients of the values. In particular, when analyzing the mechanical condition of the conductor, it should be taken into account that negative gradients both of stress and temperaturę may lead to weakening, and even loss of the material rheological activity. The performed analysis of the AlMgSi alloy wire creep process in variable stress conditions allows for using them to estimate real stress changes in aerial power linę conductors. It is especiałly significant to properly include the rheological term in the conductor sag state equation. Permanent length increases originating from the creep process cause further loosening of a conductor, which causes increased conductor sag and increases the danger of establishing contact with the ground. Therefore the knowledge of creep deformation value corresponding to the real working conditions of a conductor will enable not only determining the safe operating level of a power linę, but also using the existing stress reserve to dynamically control its current-carrying capacity. The knowledge of the duration period and the periods of occurrence of rheological inactivity over the whole exploitation period of the conductor is of fundamental importance. These values may be controlled through proper choice of the season in which the conductor is assembled, through an initial overstressing or through choosing the optimal rheołogical equivalent, represented by the $ n/\phi $ ratio. Proper use of this phenomenon forms the basis of modern assembly technology design of cables in power overhead linę spans, taking into account the need of dynamie current-carrying capacity control based on the knowledge of instantaneous position of the conductor above ground. In practice this problem is solved using sophisticated measuring techniques, including the CAT-1 monitoring system, which enables determining the instantaneous conductor temperaturę based on the knowledge of the tension forces in a conductor and weather conditions. This approach is meant to utilize the temperaturę margin of operation regime of a conductor, which is established based on the thermal resistance condition of the conductor material.

Praca dotyczy procesu pełzania przewodów stopowych (AlMgSi) w napowietrznych liniach elektroenergetycznych. Na podstawie analizy teoretycznej wykazano, że stan reologiczny wiszącego przewodu zależy od chwilowej relacji pomiędzy jego naprężeniowo-temperaturowym ekwiwalentem reologicznym (funkcja pełzania) i naprężeniowo-temperaturowym ekwiwalentem przęsła (równanie stanu wiszącego przewodu). Eliminacja nieaktywnych reologicznie nośnych rdzeni stalowych z przewodów napowietrznych linii elektroenergetycznych i wprowadzanie w ich miejsce wysokowytrzymałych drutów ze stopów AlMgSi wymuszana jest potrzebą ciągłego zwiększania obciążalności prądowej linii. Takie rozwiązanie kryje w sobie szereg potencjalnych korzyści (niska masa przewodu, łatwość montażu, brak korozyjnego kontaktu ze stalowym rdzeniem, korzystna rezystancja). Jednakże oddalenie stalowego rdzenia skutkować może reologicznymi przyrostami długości przewodu i w efekcie spadkiem naprężenia naciągu i przyrostem zwisu. Chociaż proces pełzania jest jednoznaczną funkcją naprężenia i temperatury, to jego intensywność zależy nie tylko od ich wartości, ale przede wszystkim od gradientów tych wielkości. W szczególności w analizie stanu mechanicznego przewodu uwzględnić należy fakt, że ujemne gradienty zarówno naprężenia jak i temperatury prowadzić mogą do osłabienia, a nawet utraty aktywności reologicznej materiału. Przeprowadzona analiza wyników badań nad procesem pełzania drutów ze stopu AlMgSi w warunkach zmiennego naprężenia pozwala na ich wykorzystanie do szacowania rzeczywistych zmian naprężeń naciągu przewodów napowietrznych linii elektroenergetycznych. W szczególności chodzi tutaj o umiejętne uwzględnienie członu reologicznego w równaniu stanu wiszącego przewodu. Trwałe przyrosty długości pochodzące od procesu pełzania powodują dodatkowe zluźnienie przewodu, co prowadzi do przyrostu zwisu i niebezpieczeństwa elektrycznego przebicia do ziemi. Znajomość wielkości odkształcenia pełzania odpowiadającego rzeczywistym warunkom pracy przewodu pozwoli więc nie tylko na określenie stopnia bezpieczeństwa pracy linii, ale umożliwi również wykorzystanie istniejącej rezerwy naprężeń do dynamicznego sterowania jej obciążalnością prądową. Fundamentalne znaczenie posiada tutaj znajomość długości czasu trwania oraz okresu występowania nieaktywności reologicznej materiału w całym okresie eksploatacji przewodu. Wielkości te mogą podlegać sterowaniu przez odpowiedni dobór pory roku montażu przewodu, zastosowanie wstępnego przeprężania lub dobór optymalnego ekwiwalentu reologicznego reprezentowanego stosunkiem $ n/\phi $. Umiejętne wykorzystanie owego fenomenu stwarza podstawy nowoczesnego podejścia do projektowania technologii montażu przewodów w przęsłach napowietrznych linii elektroenergetycznych uwzględniającej potrzebę dynamicznego sterowania obciążalnością prądową w oparciu o znajomość chwilowego położenia przewodu nad ziemią. W praktyce zagadnienie powyższe rozwiązuje się w oparciu o wyrafinowane techniki pomiarowe, do których zalicza się m.in. system monitorujący CAT-1 umożliwiający określenie chwilowej temperatury przewodu na podstawie znajomości sił naciągu przewodu oraz warunków klimatycznych. Takie podejście ma na celu wykorzystanie zapasu temperaturowego reżimu pracy przewodu, który ustalany jest z warunku odporności cieplnej materiału przewodu.