Инновационные провода для воздушных линий электропередачи

Требования, предъявляемые к материалам
К материалам, применяемым при изготовлении проводов и к самим проводам воздушных линий, предъявляют следующие требования:
• высокая удельная электропроводность;
• большое отношение предела прочности при растяжении к весу;
• способность сохранять предел прочности при растяжении при росте температуры;
• низкое значение относительного удлинения;
• высокое механическое самодемпфирование;
• высокая технологичность изготовления материалов, применяемых в проводах;
• устойчивость к атмосферным воздействиям (стойкость к воздействию химических примесей в воздухе, влажности, солнца, дождя).

Не существует единого материала, одновременно  удовлетворяющего всем вышеописанным требованиям.
Поэтому большинство конструкций проводов для воздушных линий неоднородны, т.е. изготовлены  более чем из одного материала. Обычно они состоят из высокопрочного сердечника, окруженного материалом, обладающим высокой электропроводностью.
Провода воздушных линий электропередачи конструируются из совокупности отдельных спирально свитых проволок. Например, наилучшая механическая прочность и малое удлинение  обеспечивается сталью, а наилучшая электропроводность и малая масса – алюминием электротехнической чистоты. В наиболее распространенном для воздушных линий электропередачи стандартном сталеалюминиевом проводе соотношение числа стальных и алюминиевых проволок является важным, с механической точки зрения. Изменяя поперечные сечения стали и алюминия, провод можно делать прочнее за счет снижения проводимости (например, для районов с высокой степенью гололедообразования), или же его можно изготовить с большей проводимостью за счет снижения прочности.

Материалы, применяемые для обеспечения проводимости проводов
Стандартный сталеалюминиевый провод состоит из алюминиевых проволок, навитых по спирали вокруг сердечника, состоящего из стальных оцинкованных проволок. Применяемый при изготовлении проволок внешнего повива алюминий марки АТ имеет предел прочности при растяжении от 160 до 200 МПа (в зависимости от диаметра проволоки) и предназначен для длительной работы при температуре ниже 100°С.
При температуре выше 100°С алюминиевая проволока марки АТ со временем рекристаллизуется, т.е. теряет свои прочностные характеристики и после длительного воздействия температуры становится «полностью отожженной» алюминиевой проволокой марки АМ.
Проволока марки АМ имеет предел прочности при растяжении 70-100 МПа и разрывается при относительном удлинении 10-25% вместо 1-2% у проволоки марки АТ. Проволока марки  АМ не изменяет своих свойств при дальнейшем воздействии высоких температур. Проволока марки АМ является привлекательной для использования в высокотемпературном проводе. Она может эксплуатироваться при температурах до 350°С без каких-либо изменений ее свойств.

Алюминиево-циркониевые сплавы
В результате проведенных исследований в Японии в 1960-х годах была создана серия сплавов алюминия и циркония (Al-Zr): TAL (или 60TAL), ZTAL (или STAL), XTAL, которые могут длительно эксплуатироваться, соответственно,  при температурах 150°С, 210°С и 230°С без потери прочности при растяжении. Также были разработаны высокопрочные сплавы алюминия с цирконием марок KTAL или Hi-TAL. Свойства сплавов приведены в таблице 1.

Повышение температуры рекристаллизации алюминия, легированного цирконием, обусловлено тем, что процесс рекристаллизации алюминия значительно замедляется в результате выпадения мелкодисперсионного интерметаллида Al₃Zr.
Эффективность действия циркония резко ослабляется, если в алюминии присутствуют примеси кремния, марганца и меди. Это объясняется тем, что данные элементы также образуют  интерметаллиды. Магний и железо также оказывает влияние на эффективность действия циркония, поскольку снижают предел растворимости циркония в алюминии. Цирконий с алюминием образует диаграмму перитектического типа (рис. 1).

Добавки циркония в количестве 0,1-0,3% обеспечивают образование мелкодисперсных выделений интерметаллических фаз (Al₃Zr) по перитектической реакции. В результате, токопроводящие проволоки сохраняют все механические и электрические характеристики при достаточно большом нагреве. В Советском Союзе также проводились работы по созданию алюминиевых сплавов, обладающих характеристиками близкими и даже превосходящими сплавы на основе добавок циркония. В качестве легирующих элементов использовались редкоземельные элементы с общим содержанием легирующих до 2%. Но в мировой практике данные сплавы не получили распространения, и в настоящее время  повсеместно используются сплавы с добавками циркония.
В настоящее время в Российской Федерации начинаются работы по освоению технологии производства и переработки данных типов сплавов.

Материалы, применяемые для сердечников проводов
Наибольшее распространение при изготовлении сердечников высокотемпературных проводов получила проволока из высокопрочной (HS или ST) стали и особо высокопрочной (EHS или EST) стали, которые, как правило, оцинковываются для устойчивости против коррозии.
Свойства стальных проволок различных марок для диаметра проволоки 3,8 мм приведены в таблице 2.

Обычное оцинковывание ограничивает температуру длительной работы проволок стального  сердечника приблизительно до 200°С. Максимальная рабочая температура провода определяется свойствами материала, используемого для покрытия стального сердечника. Как показали испытания, нагрев провода свыше 180°С может стать причиной деградации и разрушения стандартного цинкового покрытия, что в свою очередь, резко сокращает срок эксплуатации кабеля.
С целью обеспечения улучшенной коррозионной защиты стальной проволоки в Японии в 80-е года 20-го века была разработана технология промышленного нанесения на стальной сердечник алюминия электротехнической чистоты. Алюминий наносится на стальную заготовку по методу CONFOM и далее обрабатывается до необходимого диаметра на волочильных машинах. Стальная проволока, плакированная алюминием, носит наименование Aluminum clad steel wire или AW (ACS). Также в настоящее время используется стальная проволока, покрытая сплавом алюминия и цинка (5%). Покрытие стали алюминием по сравнению с традиционной оцинкованной сталью позволяет увеличить пропускную способность  и коррозионную стойкость провода, уменьшить его вес, снизить потери мощности.
Проволока из железоникелевого сплава (сплав Invar) имеет пониженный коэффициент линейного температурного расширения и меньший предел прочности на разрыв, чем высокопрочная стальная проволока.
Свойства проволоки Invar приведены в таблице 3.

Invar обычно защищают (плакируют) алюминием для обеспечения коррозионной стойкости при повышенных рабочих температурах. Оксидноалюминиевая композитная проволока компании ЗМ (ЗМ Alumina Composite) совершенно отличается от стали, но служит той же самой цели обеспечения механической прочности и низкого линейного температурного расширения.
Свойства композитного сердечника компании 3М представлены в таблице 4.

Также в мировой практике известны сердечники на основе стекловолокна и композита на основе углерода.
Авторам статьи хотелось бы обратить особое внимание читателей на такой физический показатель  материалов, как коэффициент линейного  температурного расширения материала. Данный коэффициент оказывает одно из самых решающих значений для проектирования линий электропередачи с применением высокотемпературных проводов.
Именно данным свойством материалов обеспечивается величина удлинения провода при его нагревании и, следовательно, стрела его провеса и расстояние от провода до поверхности земли.
На температурный коэффициент линейного расширения классических сталеалюминиевых проводов для воздушных линий электропередачи влияют оба материала – материал сердечника и материал проводниковой части провода.  В результате этого значение коэффициента  оказывается промежуточным между значениями коэффициентов линейного температурного расширения материалов. Это объясняется тем, что оба материала испытывают механическую нагрузку. Однако из-за того, что коэффициент линейного температурного расширения  алюминия практически в 2 раза выше, чем у стали, при увеличении температуры провода нагрузка на стальной сердечник будет увеличиваться. При этом удлинение провода уменьшается за счет низкого коэффициента линейного температурного расширения стали. В результате, при повышении температуры  свыше некоторого значения, алюминиевые повивы полностью разгрузятся, а все тяжение провода будет восприниматься сердечником. При этом коэффициент линейного температурного расширения провода в целом будет определяться только значением коэффициента линейного температурного расширения  стали. Для стандартного сталеалюминевого провода этот переход происходит приблизительно при 100°С.
Если продолжать увеличивать токовую нагрузку на провод, а, следовательно, увеличивать  температуру провода, то начнёт расти стрела провеса провода, что в большинстве случаев является недопустимым.
Поэтому высокотемпературные провода для воздушных линий электропередачи в большинстве случаев изготавливаются либо специальной  конструкции – GAP-провода, либо с использованием специального материала сердечника проводов INVARA, либо композитного или углепластикового сердечника.
В следующих публикациях мы опишем конкретные  конструкции высокотемпературных проводов и более подробно осветим достоинства и недостатки конкретных марок проводов.