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 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 года Издание учебного пособия 2 – 3 года Издание учебника 2 -3 года Реализация на практике Продвижение инновационных технических решений в область знаний и производства
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 Рис. 1. Термокомпенсатор: а – установка на линии; б – при охлажденном состоянии с возросшим тяжением; в – при нагреве в сокращенном состоянии; г – с ферромагнитным экраном
t пр = t тк t макс t мин 1 2 I, A Рис.2. Области заданной температуры провода и температуры срабатывания термокомпенсатора
Тема: ВЛ с элементами из материалов с памятью формы Подготовил:ст. гр Д.Л. Толкач Руководитель: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 , 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 , 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 , 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 , 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 , 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 , 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 , 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 , 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 , 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, «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
а) f2f2 f1f1 h г2 hг1hг1 1 б) f1f1 hг1hг1 2 Рис. 1. Применение термокомпенсаторов для увеличения длины пролета: а – норнормальная длина пролета; б – увеличенная длина пролета
1.Увеличение длины пролета линии Рис. 2. Применение термокомпенсаторов для уменьшения высоты опор: а – нормальная высота опоры; б – уменьшенная высота опор f2f2 f2f2 а) f1f1 hг1hг1 1 б) hг1hг1 1
2.Повышение пропускной способности линии по условию нагревания градусов
3. Повышение надежности пересечений воздушных линий с инженерными сооружениями нижняя линия hгhг ТК верхняя линия Рис. 1. Установка термокомпенсаторов на пересечении линий электропередачи
4. Борьба с гололедом а) б) 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.
а)б) Рис. 2. Очиститель гололеда: а – элемент с ЭПФ в растянутом состоянии; б – элемент с ЭПФ в сжатом состоянии
10 5 tнtн tкtк 1 2 t, o C Рис. 3. Зависимости деформации элемента с ЭПФ от температуры
Рис. 4. Устройство для сбрасывания гололеда
5. Повышение пропускной способности и экономичности лини электропередачи
2 1 3 d bc f dcнdcн f Верхняя фаза Средняя фаза Нижняя фаза f Рис. 1. Установка термокомпенсаторов в средней и нижней фазах
Рис.2. Линия электропередачи с термокомпенсаторами и ферромагнитными экранами в средней и нижней фазах
Рис.3. Линия электропередачи с термокомпенсаторами и ферромагнитными экранами в крайних фазах
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