Index of /rozprawy2/10934

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ METALI NIEŻELAZNYCH KATEDRA PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ I METALOZNAWSTWA METALI NIEŻELAZNYCH. PRACA DOKTORSKA Badania niskotemperaturowego pełzania przewodowych stopów AlMgSi w warunkach zmiennego naprężenia i temperatury. mgr inż. Kinga Korzeń promotor: prof. dr hab. inż. Tadeusz Knych promotor pomocniczy: dr hab. inż. Beata Smyrak. Kraków 2015.

(2) „Człowiek zajmujący się nauką nigdy nie zrozumie, dlaczego miałby wierzyć w pewne opinie tylko dlatego, że znajdują się one w jakiejś książce. [...] Nigdy również nie uzna swych własnych wyników za prawdę ostateczną.”. Albert Einstein. 2.

(3) Spis treści SŁOWO WSTĘPNE ................................................................................................................ 5 1. WPROWADZENIE ............................................................................................................. 9 2. ANALIZA LITERATUROWA TEMATU PRACY....................................................... 12 2.1. CHARAKTERYSTYKA NAPOWIETRZNYCH LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH ........... 12 2.1.1. Definicje ................................................................................................................... 14 2.1.2. Budowa i rodzaje przewodów .................................................................................. 17 2.1.3. Materiały przewodzące ............................................................................................ 24 2.1.4. Wybrane problemy eksploatacyjne .......................................................................... 27 2.1.4.1.Obciążenia statyczne ......................................................................................... 27 2.1.4.2.Obciążenia dynamiczne ..................................................................................... 29 2.1.4.3.Obciążenia temperaturowe (bilans cieplny) ...................................................... 34 2.1.4.4.Zniszczenie reologiczne .................................................................................... 39 2.1.5. Podsumowanie ......................................................................................................... 40 2.2. PEŁZANIE ...................................................................................................................... 44 2.2.1. Definicja ................................................................................................................... 44 2.2.2. Modele pełzania ....................................................................................................... 50 2.2.3. Pełzanie w warunkach zmiennego naprężenia i temperatury .................................. 54 2.2.4. Podsumowanie ......................................................................................................... 64 3. TEZA. CEL I ZAKRES PRACY ..................................................................................... 68 3.1. TEZA ............................................................................................................................. 68 3.2. CEL I ZAKRES PRACY.................................................................................................... 69 4. KONCEPCJA ROZWIĄZANIA TEMATU PRACY. METODYKA BADAŃ ........... 70 5. MATERIAŁ DO BADAŃ ................................................................................................. 72 6. PROGRAM BADAŃ ......................................................................................................... 75 6.1. SZACOWANIE PRĘDKOŚCI ZMIAN NAPRĘŻENIA I TEMPERATURY W REPREZENTATYWNYCH PRZĘSŁACH NLP ................................................................ 75 6.2. SZCZEGÓŁOWY PROGRAM BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH ........................................ 90 7. STANOWISKA DO BADAŃ ............................................................................................ 94 7.1. STANOWISKO DO BADAŃ PROCESU PEŁZANIA DRUTÓW W STAŁYCH WARUNKACH TEMPERATURY I NAPRĘŻENIA ...................................................................................... 95 7.2. STANOWISKO DO BADAŃ PROCESU PEŁZANIA DRUTÓW W ZMIENNYCH WARUNKACH TEMPERATURY I NAPRĘŻENIA ...................................................................................... 97 8. METODA ANALIZY WYNIKÓW BADAŃ ................................................................ 100 8.1. PEŁZANIE W STAŁYCH WARUNKACH NAPRĘŻENIA I TEMPERATURY – POMIARY PROWADZONE PRZY POMOCY CZUJNIKA ZEGAROWEGO .......................................... 100 8.1.1. Wyznaczanie parametrów uogólnionej funkcji pełzania ........................................ 100 8.2. PEŁZANIE W ZMIENNYCH WARUNKACH NAPRĘŻENIA I TEMPERATURY – POMIARY ZA POMOCĄ TECHNIKI TENSOMETRYCZNEJ ................................................................... 103 8.2.1. Opis metody opracowywania i prezentacji wyników badań .................................. 103 8.2.2. Korelacja wyników uzyskanych metodą tensometryczną z wynikami (UFP) uzyskanymi przy użyciu czujnika zegarowego ....................................................... 107 3.

(4) 9. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA .............................................................................. 109 9.1. WYNIKI BADAŃ KSZTAŁTOWANIA WŁASNOŚCI DRUTÓW NA DRODZE OBRÓBKI CIEPLNEJ. OBRÓBKA CIEPLNA MATERIAŁU DO BADAŃ ............................................. 109 9.2. PEŁZANIE W WARUNKACH STAŁEGO NAPRĘŻENIA I TEMPERATURY. UOGÓLNIONE FUNKCJE PEŁZANIA .................................................................................................... 118 9.3. PEŁZANIE W WARUNKACH ZMIENNEGO NAPRĘŻENIA I TEMPERATURY ................... 131 9.3.1. Pełzanie pod zmiennym naprężeniem .................................................................... 132 9.3.2. Pełzanie pod zmienną temperaturą ........................................................................ 152 10.ANALIZA TRENDÓW ZMIAN PRZEBIEGU PROCESU PEŁZANIA W WARUNKACH ZMIENNEGO NAPRĘŻENIA I TEMPERATURY .................. 161 10.1.ZASADA STANÓW EKWIWALENTNYCH W PRZĘŚLE NLP ............................................ 163 10.2.PRZYKŁAD SYMULACJI PROCESU PEŁZANIA PRZEWODÓW AAAC W WARUNKACH ZMIENNEGO NAPRĘŻENIA I TEMPERATURY ............................................................... 166 10.2.1.Założenia do symulacji ......................................................................................... 166 10.2.2.Wyniki obliczeń i ich analiza................................................................................ 168 11.PODSUMOWANIE KOŃCOWE PRACY ................................................................... 186 12.WNIOSKI ......................................................................................................................... 189 13.LITERATURA ................................................................................................................ 194. 4.

(5) Słowo wstępne Tematyka niniejszej pracy doktorskiej dotyczy dziedziny gospodarki związanej z infrastrukturą elektroenergetyczną, która musi gwarantować bezpieczny, wydajny oraz bezawaryjny przesył energii elektrycznej. Z uwagi na stale zmieniające się warunki, w jakich eksploatowane są przewody linii napowietrznych, bardzo ciężko jest określić dopuszczalny czas ich pracy, zwłaszcza biorąc pod uwagę stale postępujące procesy eksploatacyjne, a w tym m.in. reologiczne. Przewód zawieszony w przęśle pod własnym ciężarem oraz na skutek procesów reologicznych - wydłuża się trwale, zmniejszając tym samym jego odległość od ziemi, co może w efekcie doprowadzić do elektroenergetycznego przebicia oraz awarii systemu. Na procesy reologiczne wpływ ma wiele czynników. Najważniejsze z nich to rodzaj przewodu (budowa, materiał oraz własności mechaniczne, elektryczne i eksploatacyjne), jego montaż w przęśle linii napowietrznej (rozpiętość przęsła, wysokość konstrukcji wsporczych, warunki montażu), a także warunki klimatyczne oraz zapotrzebowanie na ilość przesyłanej energii elektrycznej. Dogłębna analiza problematyki oraz stan wiedzy dotyczący wpływu warunków eksploatacyjnych (w tym zmienności temperatury i naprężenia) na pracę przewodów elektroenergetycznych pozwala na efektywniejsze ich wykorzystanie w napowietrznym systemie przesyłowym. Na podstawie badań eksperymentalnych oraz obliczeń symulacyjnych, w niniejszej pracy opracowana została oryginalna metoda szacowania efektów pełzania przewodów elektroenergetycznych pracujących w rzeczywistych warunkach klimatycznych. Umożliwi ona bowiem jeszcze na etapie projektowym, uwzględnienie reologicznej natury przewodów oraz dobór odpowiednich parametrów montażu i ich późniejszej eksploatacji. Nieustanny wzrost światowej konsumpcji energii elektrycznej prowadzi w konsekwencji do konieczności zwiększenia obciążalności prądowej systemu przesyłowego. Narzuca to coraz to wyższe wymagania odnośnie zespołu własności materiałów, z których wytwarzane są przewody. Stąd też charakter pracy doktorskiej wpisuje się w ogólnoświatowy nurt prac badawczych mających na celu poszukiwanie i wdrażanie nowoczesnych rozwiązań materiałowych dedykowanych do budowy przewodów elektroenergetycznych gwarantujących ich wysoką przewodność elektryczną, a mając jednocześnie na uwadze długoczasową eksploatację, również ich wysokie własności mechaniczne, a zwłaszcza wysoką odporność reologiczną. Przewody takie stanowić będą dobrą alternatywę dla wyeksploatowanego i przestarzałego systemu elektroenergetycznego w Polsce. Materiałem do badań były atrakcyjne w ostatnich latach na cele elektryczne stopy AlMgSi, a w szczególności nowy ich typ o ponadstandardowych własnościach elektrycznych, mianowicie EHC (Extra High Conductivity). Pomimo tego ich druty wykonane z tego materiału charakteryzują się znacznie wyższą przewodnością elektryczną w porównaniu do tradycyjnych drutów ze stopu AlMgSi stosowanych w liniach napowietrznych, należało przebadać ich długoczasową odporność reologiczną. Dlatego w dalszej części niniejszej pracy, poddano je testom pełzania w stałych warunkach temperatury i naprężenia, a także przebadano wpływ zmiany tych dwóch parametrów na aktywność reologiczną badanych drutów. Uzyskane wyniki porównano z wynikami dla drutów wcześniej nie obrobionych cieplnie i będących po procesie ciągnienia. Jednocześnie, wyniki te były niezbędne do przeprowadzenia analizy symulacyjnej, ukazującej jak niestacjonarność warunków pracy przewodów napowietrznych linii przesyłowych, wpływa na procesy pełzania. Uzyskane wyniki badań oraz płynące z nich wnioski, mogą stanowić użyteczną bazę danych materiałowych i eksploatacyjnych, szczególnie pożądaną przez projektantów, producentów, operatorów oraz właścicieli infrastruktury elektroenergetycznej. Przedstawione w pracy innowacyjne podejście do zmiany koncepcji szacowania wielkości niskotemperaturowego pełzania rozpiętych w przęsłach przewodów wykonanych ze stopów 5.

(6) AlMgSi poddanych zmiennym warunkom temperatury i naprężenia przewodów, pozwoli w efekcie na zmniejszenie niebezpieczeństwa awarii linii elektroenergetycznych. Jednocześnie zastosowanie wysoko przewodzących typów drutów umożliwi zwiększenie ilości przesyłanej energii elektrycznej, a zatem przyczyni się do wzrostu wydajności systemu przesyłowego. Niniejsza dysertacja jest wynikiem kilkuletniej pracy, w której prowadziłam szereg badań eksperymentalnych, analiz, rozważań, a także dyskusji nad nurtującymi mnie pytaniami w kwestiach związanych z niskotemperaturowym pełzaniem przewodowych stopów AlMgSi. Praca realizowana była w Katedrze Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych na Wydziale Metali Nieżelaznych w Akademii Górniczo – Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie, gdzie miałam ogromną przyjemność oraz satysfakcję ukończyć studia doktoranckie. Jestem przekonana, że efekty mojej pracy nie byłyby tak widoczne bez pomocy oraz wsparcia wspaniałych i wymagających przełożonych, jednostek naukowych oraz przemysłowych, a także koleżanek i kolegów. Pragnę podziękować Dziekanowi Wydziału Metali Nieżelaznych, Pani prof. Marii Richert oraz Kierownikowi Katedry Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych Panu prof. Wojciechowi Liburze za życzliwość oraz umożliwienie zdobywania i poszerzania wiedzy, a także za stworzenie mi warunków do prowadzenia badań na potrzeby niniejszej pracy. Składam również podziękowania Małopolskiemu Centrum Przedsiębiorczości za przyznanie mi stypendium w ramach projektu „Doctus – Małopolskiego funduszu stypendialnego dla doktorantów” współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Dzięki niemu otrzymałam wsparcie finansowe na prowadzenie badań objętych niniejszą dysertacją, jak również umożliwiło mi ono na uczestniczenie w wielu krajowych jak i zagranicznych konferencjach w celu propagowania wyników objętych doktoratem i poszerzania wiedzy na temat zjawisk reologicznych. Chciałabym także złożyć wyrazy wdzięczności kierownictwu zakładów produkcyjnych Nowoczesnych Produktów Aluminiowych NPA w Skawinie oraz Tele-Foniki Kable S.A. w Krakowie za przekazanie niezbędnego mi materiału do badań oraz dostępu do parku maszynowego. Dziękuję Instytutowi Metali Nieżelaznych IMN – Odział Metali Lekkich OML w Skawinie za pomoc w realizacji zdjęć na transmisyjnym mikroskopie elektronowym TEM. Składam podziękowania Panu dr inż. Piotrowi Mickowi za nieocenioną pomoc od strony technicznej przy stanowisku badawczym do testów pełzania realizowanych ze zmiennym obciążeniem i temperaturą. Pragnę wreszcie skierować serdeczne podziękowania moim koleżankom i kolegom, z którymi miałam to ogromne szczęście współpracować w Laboratorium Technologii Przetwórstwa Metali Nieżelaznych na Wydziale Metali Nieżelaznych – AGH, za okazaną wobec mnie życzliwość i wzajemną pomoc. Szczególnie mocno pragnę podziękować koledze dr hab. inż. Andrzejowi Mamali za konsultacje oraz trafne uwagi przy prowadzonych przeze mnie obliczeniach symulacyjnych procesu pełzania przewodów napowietrznych. Chciałabym również złożyć wyrazy wdzięczności kolegom dr hab. inż. Arturowi Kaweckiemu i mgr inż. Andrzejowi Nowakowi, a także koleżance mgr inż. Elizie Sieja – Smaga za wsparcie i pomoc w realizacji badań oraz stworzenie niesamowicie sympatycznej atmosfery pracy. Kończąc, chciałabym podziękować mojemu Mężowi oraz Rodzinie za kibicowanie i ogromne wsparcie przy pisaniu pracy oraz za to, że nieraz przerywali moją pracę, zapewniając tym samym tak potrzebne mi chwile wytchnienia.. Kraków, marzec 2015. Kinga Korzeń 6.

(7) Składam gorące podziękowania Promotorowi mojej pracy Panu Prof. dr hab. inż. Tadeuszowi Knychowi oraz Promotorowi pomocniczemu Pani dr hab. inż. Beacie Smyrak za opiekę, zaangażowanie, rady, pomysły i cenne wskazówki, które pomogły mi w realizacji badań oraz powstaniu niniejszej pracy. Jestem również bardzo wdzięczna za miłe słowa i poświęcony mi czas oraz motywowanie i ukierunkowanie do podjęcia niniejszej tematyki badań.. 7.

(8) Moim Rodzicom, którzy powtarzali mi, iż zdołam osiągnąć wszystko, czego zapragnę. To prawda, nie ma rzeczy niemożliwych, jedynym ograniczeniem jest czas.. 8.

(9) 1. Wprowadzenie Przewody elektroenergetyczne napowietrznych linii przesyłowych, zawieszone w przęśle pod naprężeniem (nawet niższym od ich granicy plastyczności), wydłużają się trwale w wyniku zachodzących w nich procesów reologicznych. Zmiany długości linii zwisania przewodu, przekładają się na zmiany w jego odległości od ziemi zagrażając tym samym bezpiecznej jego eksploatacji. Ponieważ przewody są to konstrukcje złożone z naprzemiennie skręconych ze sobą drutów, o jego odporności reologicznej w pierwszej kolejności decydować będą pojedyncze druty. Naprężenie, temperatura, a także czas są głównymi czynnikami decydującymi o wielkości i intensywności pełzania. Dodatkowo należy zwrócić uwagę, iż w przypadku elektroenergetyki napowietrznej, czynniki temperatury oraz naprężenia mają charakter zmienny i o przeciwnych kierunkach. Bowiem wzrost temperatury przewodu, wynikający chociażby z warunków atmosferycznych - powoduje jego rozluźnienie, natomiast jej spadek - skutkuje wzrostem naprężenia, zgodnie z równaniem stanu rozpiętego w przęśle przewodu. Równocześnie ta niestacjonarność warunków, przyczynia się do zmian aktywności reologicznej przewodu. Na tej podstawie, istnieje silna potrzeba poznania zjawisk reologicznych zachodzących w przewodach linii napowietrznej w trakcie ich eksploatacji w zmiennych warunkach temperatury i naprężenia, a także umiejętne szacowanie wielkości odkształcenia pełzania. Podjęte dotychczas rozważania w tym temacie obejmowały głównie badania procesu pełzania dla stałych warunków temperatury i naprężenia. Jedynie w sporadycznych przypadkach publikacje uwzględniały ich zmienność, w tym wielkość gradientu naprężenia lub temperatury, natomiast całkowicie pomijano wpływ prędkości ich zmiany. Można rozróżnić dwa sposoby podejścia do tego tematu: eksperymentalne i mechanistyczne. O ile ten pierwszy daje rzeczywiste wyniki uwzględniające wpływ materiału i towarzyszących mu parametrów temperatury, naprężenia i czasu na proces pełzania, o tyle podejście mechanistyczne próbuje opisać przy pomocy formuł matematycznych te zjawiska, aby możliwe było szacowanie długoczasowej odpowiedzi reologicznej danego materiału. W pracy podjęto próbę przeprowadzenia badań eksperymentalnych mających na celu wykazać wpływ m.in. prędkości oraz wielkości zmiany temperatury lub naprężenia przewodu/drutu na proces pełzania, kładąc przy tym duży nacisk na to, aby okoliczności w jakich prowadzone będą testy, odpowiadały warunkom rzeczywistym w jakich eksploatowany jest przewód linii napowietrznej. Uzyskane wyniki z tak przeprowadzonych testów pełzania będą stanowić wiedzę interdyscyplinarną, o którą będzie można poszerzyć dotychczasowy stan wiedzy w tym temacie oraz umożliwi dokładniejsze szacowanie pełzania poprzez budowę nowych modeli matematycznych. Ponieważ zagadnienie to obejmuje swym zakresem wiele nakładających się efektów, w pracy bardzo trudno było przeprowadzić analizę ilościową procesu pełzania. Podjęto jednak próbę jakościowego opisu całościowego wpływu niestacjonarności warunków temperatury i naprężenia na zmniejszenie skumulowanej wartości odkształcenia pełzania w długim okresie ich eksploatacji, udowadniając tym samym postawioną w niniejszej dysertacji tezę. Ponieważ procesy reologiczne, są również silnie uzależnione od rodzaju materiału, a także konstrukcji przewodu, część niniejszej dysertacji poświęcona jest wyborowi kompozycji chemicznej oraz opracowaniu metody obróbki cieplnej materiału na przewody elektroenergetyczne, które spełniałyby obecne i przyszłościowe wymagania co do własności mechanicznych, elektrycznych oraz eksploatacyjnych z naciskiem na ich odporność reologiczną. Z uwagi na stale rosnące zapotrzebowanie na ilość przesyłanej energii, w pracy postawiono sobie za cel m.in. opracowanie materiału o ponadstandardowych własnościach elektrycznych EHC (Extra High Conductivity), jako sposobu na skuteczne podniesienie obciążalności prądowej przewodów. Równocześnie przebadano jego aktywność reologiczną 9.

(10) w stałych jak i zmiennych warunkach temperatury i naprężenia. Ze względu na wysoki potencjał stopów AlMgSi do kształtowania zespołu własności mechanicznych, elektrycznych oraz eksploatacyjnych, badania nad obróbką cielną w celu uzyskania drutów EHC prowadzone były właśnie na tym materiale. Powyższe motywy przyczyniły się do powstania niniejszej dysertacji dotyczącej badań nad niskotemperaturowym pełzaniem przewodowych stopów AlMgSi w warunkach zmiennego naprężenia i temperatury. Analizę stanu wiedzy w tym temacie (rozdział 2), podzielono na dwie główne części. Pierwsza (podrozdział 2.1) dotyczy charakterystyki napowietrznych linii elektroenergetycznych, w tym budowy (materiały, konstrukcje) i rodzajów przewodów, wymagań co do zespołu własności, a także warunków ich pracy i związanych z nimi problemami eksploatacyjnymi. Te ostatnie są szczególnie ważne, gdyż ukazują źródła zmian temperatury oraz naprężenia przewodu zawieszonego w przęśle, które z kolei są nie bez znaczenia dla stale postępującego procesu pełzania, któremu poświęcono drugą część analizy stanu wiedzy. Ta z kolei przestawiona została w podrozdziale 2.2., w którym zdefiniowano pojęcie procesu pełzania, ze wskazaniem czynników wpływających na jego intensywność oraz mechanizmów za nie odpowiedzialnych. Przeprowadzono również, analizę znanych z literatury modeli matematycznych do szacowania odkształcenia pełzania w zależności od parametru czasu, temperatury czy naprężenia, jak również ukazano zasadę stanów ekwiwalentnych pełzania, wyznaczonych na podstawie uogólnionej funkcji pełzania wg Bayley’a - Norton’a. Podrozdział 2.2.3. został w całości poświęcony zjawisku pełzania w zmiennych warunkach temperatury i naprężenia z ukazaniem analizy teorii mechanistycznych oraz badań eksperymentalnych. Cała analiza literaturowa stanu zagadnienia (rozdział 2), została szeroko i wnikliwie opisana w niniejszej dysertacji, gdyż zamierzeniem Autora było w pełni przedstawić aspekty, które kształtują warunki dla procesu pełzania drutów oraz wykonanych z nich przewodów pracujących w liniach napowietrznych. W samym zamyśle ma to ułatwić pełniejsze zrozumienie poruszanego w pracy tematu, mając na uwadze z jednej strony jego interdyscyplinarność z drugiej zaś różnorodność potencjalnych grup zainteresowanych tą tematyką czytelników. Na podstawie przeprowadzonej analizy literaturowej, postawiono tezę oraz cel i zakres pracy (rozdział 3). Natomiast w rozdziale 4 przedstawiono koncepcję rozwiązania tematu pracy i dowodzenia tezy. Rozdział 5 został poświęcony opisowi podstawowego materiału przeznaczonego do badań eksperymentalnych, z uwzględnieniem jego składu chemicznego, mikrostruktury oraz identyfikacji własności mechanicznych oraz elektrycznych. Kolejną część dysertacji stanowi rozdział 6 poświęcony programowi badań, który w efekcie przyczynił się do osiągnięcia celu pracy. Rozdział ten podzielono na dwie części. Pierwsza (podrozdział 6.1) zawiera analizę warunków atmosferycznych oraz obliczenia prowadzące do oszacowania parametrów dla jakich prowadzono badania eksperymentalne procesu pełzania. Wyznaczono prędkości oraz wielkości zmiany naprężenia oraz temperatury i dla tych wartości zostały przeprowadzone testy pełzania. Z kolei druga część - podrozdział 6.2, zawiera szczegółowy program wszystkich badań jakie zostały wykonane w ramach niniejszej dysertacji wraz z podaniem parametrów prowadzonych prób oraz oczekiwanych rezultatów. W dalszej części pracy (rozdział 7), przedstawiono stanowiska badawcze oraz opisano urządzenia, które były najistotniejsze dla powstania niniejszej rozprawy doktorskiej. Scharakteryzowano dwa główne stanowiska do badania procesów pełzania drutów ze stopu AlMgSi poddanych stałym jak i zmiennym warunkom temperatury i naprężenia. Natomiast. 10.

(11) w rozdziale 8, opisano zastosowane metody analizy wyników badań eksperymentalnych przeprowadzonych na tych stanowiskach badawczych. Rozdział 9 koncentruje się na wynikach oraz analizie uzyskanych danych i został podzielony na 3 części. Pierwsza (podrozdział 9.1.) dotyczy badań nad obróbką cieplną drutów ze stopu AlMgSi, która umożliwiła uzyskanie drutów o ponadstandardowej przewodności elektrycznej, a także w ramach niniejszego podrozdziału przeprowadzone zostały badania nad odpornością cieplną drutów z materiału wyjściowego oraz drutów typu EHC. Kolejny podrozdział 9.2. koncentruje się na wynikach eksperymentalnych z procesu pełzania prowadzonego w stałych warunkach temperatury i naprężenia. Na ich podstawie możliwe było wyznaczenie uogólnionych funkcji pełzania oraz ekwiwalentów reologicznych. Te z kolei były niezbędne w dalszych etapach pracy do szacowania wielkości odkształcenia pełzania dla danych warunków temperatury, naprężenia i czasu oraz do symulacji przeprowadzonej w rozdziale 10. Trzecia część rozdziału 9 dotyczącego wyników i analizy, skoncentrowana była na testach pełzania realizowanych ze zmiennym naprężeniem oraz zmienną temperaturą. Podrozdział ten ujawnił jakie mogą być reakcje reologiczne układu na zmiany któregokolwiek z parametrów temperatury lub naprężenia, z uwzględnieniem wpływu wielkości, kierunku oraz prędkości ich zmiany, a także materiału z jakiego wykonane były badane druty. Ostatnim rozdziałem, niezbędnym w dowodzeniu tezy pracy jest rozdział 10, w którym podjęto próbę symulacji procesu pełzania przewodów AAAC (All Aluminium Alloy Conductors) w warunkach zmiennego naprężenia i temperatury. Zmiany te wyznaczono w oparciu o zmiany temperaturowe powietrza, które za pomocą naprężeniowotemperaturowego ekwiwalentu reologicznego oraz równania stanu wiszącego przewodu przeliczono na zmiany naprężenia. Różnica pomiędzy wyliczonymi wartościami naprężenia wraz z wynikami badań z rozdziału 9, pozwoliły określić jaki przewód, w jakiej rozpiętości przęsła i w jakim okresie montażu będzie posiadał niższe wartości odkształcenia pełzania w porównaniu do tradycyjnej metody szacowania długoczasowego pełzania, zakładającej w całym okresie stałe wartości temperatury i naprężenia. Jednocześnie wyniki uzyskane w rozdziale 10 udowadniają postawioną w pracy tezę. Ze względu na rozległy i wielowątkowy charakter niniejszej pracy, każdy z rozdziałów kończy się krótkim podsumowaniem spostrzeżeń oraz wniosków wynikających z przeprowadzonych analiz. Natomiast w rozdziale 11 zostały one zestawione razem tworząc syntetyczne podsumowanie całości niniejszej dysertacji. Praca kończy się wnioskami zaprezentowanymi w rozdziale 12. Rezultaty z przeprowadzonych eksperymentów oraz symulacji stanowią istotny wkład w rozwój wiedzy nt. procesów pełzania oraz reakcji reologicznej układu na zmiany temperatury i naprężenia. Jednocześnie posiadają wymiar praktyczny, gdyż mogą przyczynić się do lepszego szacowania jaki rodzaj przewodu, zawieszonego w danym przęśle i w danych warunkach montażowy będzie bardziej stabilny reologicznie lub będzie posiadał niższe wartości odkształcenia pełzania w stale zmieniających się w sposób cykliczny (wynikających z pór roku i pór dnia), warunkach temperaturowych i naprężeniowych przewodu.. 11.

(12) 2. Analiza literaturowa tematu pracy 2.1. Charakterystyka napowietrznych linii elektroenergetycznych Napowietrzne linie elektroenergetyczne są elementem transportującym oraz dystrybuującym energię elektryczną od wytwórcy (elektrowni) do odbiorcy. Całościowo układ łączący wytwórcę z odbiorcą tworzy system elektroenergetyczny. W celu zapewnienia niezawodności systemu, w Europie zawiązała się współpraca zwana „Unią ds. Koordynacji Przesyłu Energii Elektrycznej” – UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity). W jej skład wchodziły 24 kraje oraz 200000 km linii o napięciu 230 i 400kV, które zaopatrywały 430 milionów ludzi w energię elektryczną [71]. Z dniem 01 lipca 2009 roku UCTE zostało rozwiązane, z kolei zadania operacyjne dotyczące przesyłu energii elektrycznej w połączeniach między narodowych przejęła „Europejska Sieć Operatorów Systemów Przesyłowych Energii Elektrycznej” – ENTSO-E [72]. Istnienie ENTSO-E jest niezbędne do zapewnienia ciągłości przesyłu energii elektrycznej poprzez współpracę linii elektroenergetycznych wielu krajów. W Polsce przesyłem energii elektrycznej oraz monitoringiem linii napowietrznych przy zachowaniu wymaganych kryteriów bezpieczeństwa pracy, zajmują się Polskie Sieci Elektroenergetyczne PSE S.A. W celu zapewnienia bezpieczeństwa pracy napowietrznych linii elektroenergetycznych, należy przede wszystkim przeanalizować warunki w jakich są one eksploatowane. Przewody linii napowietrznej poddawane są wielu, zmiennym w czasie czynnikom wpływającym na temperaturę i naprężenie przewodu zawieszonego w przęśle. Cykliczne zmiany temperatury, okresowo pojawiająca się sadź, wiatr, ilość przesyłanej energii elektrycznej itp. wpływają na zmianę naprężenia przewodu. Pomimo tego, iż zmiany naprężenia występują w zakresie obowiązywania prawa Hook’a (zakres sprężysty), to dochodzi do trwałych przyrostów długości linii napowietrznej w wyniku zachodzącego zjawiska pełzania. W efekcie może dojść do niebezpiecznego przybliżania się przewodu do ziemi lub obiektów znajdujących się w najbliższym otoczeniu, zagrażającego elektrycznym przebiciem lub zerwaniem linii. To jest jeden z przykładów, gdyż w rzeczywistości przyczyn awarii, może być wiele. Autorzy pracy [73] dokonali analizy przyczyn awarii występujących w polskich liniach napowietrznych w latach 2005 – 2009 (rys.2.1). Z analizy wynika, iż największy wpływ na awarie ma starzenie (w tym rozumiane jako obniżenie własności mechanicznych oraz pełzanie drutów w przewodzie) oraz zmęczenie przewodów linii napowietrznych, a następie występowanie ekstremalnych warunków pogodowych jak: mróz, śnieg, sadź, wiatr, burze, upał. Czynniki te bezpośrednio poprzez naprężenie i temperaturę intensyfikują procesy reologiczne w materiale.. 12.

(13) Rys. 2.1. Przyczyny awarii w liniach napowietrznych w latach od 2005 do 2009 [73] Biorąc pod uwagę fakt, iż duża część Europejskich linii napowietrznych jest eksploatowana od lat pięćdziesiątych, a nawet dłużej oraz że zakładany średni dopuszczalny czas eksploatacji przewodów wynosi od 30 do 50 lat, M. Muhr, S. Pack i S. Jaufer w opracowaniu [71] zadają pytanie: „…na ile wiarygodne są obecne elementy linii i ile czasu pozostało do ich całkowitego wyeksploatowania?”. Odpowiedzi na to pytanie można poszukiwać w pracy [74] L. I. Kachanovskaya i jego współautorów, w której próbowano ocenić stan techniczny napowietrznych linii przesyłowych po 30 latach pracy. Wnioski płynące z tej pracy mówią, iż częściami krytycznymi dla bezpieczeństwa osobistego i systemu elektroenergetycznego są elementy linii, które są narażone na obciążenia mechaniczne i prądowe, tj. przewody elektroenergetyczne. Na tej podstawie rodzi się potrzeba, poszukiwania coraz to nowszych rozwiązań materiałowych oraz konstrukcyjnych przewodów, które sprostają obecnemu jak i przyszłościowemu zapotrzebowaniu na stale rosnącą konsumpcję energii elektrycznej. Równocześnie zaleca się aby przewód był na tyle uniwersalny, żeby możliwe było jego zawieszenie w istniejących przęsłach linii napowietrznej, bez konieczności przebudowy całej infrastruktury. Modernizacja linii nie powinna polegać jedynie na wymianie przewodów, ale i na poprawie bezpieczeństwa poprzez monitorowanie warunków pracy oraz zachowania się przewodu w tych warunkach. Podsumowując, celem napowietrznych linii elektroenergetycznych jest przesył energii elektrycznej, natomiast wymagania jakie się im stawia to wydajność, bezpieczeństwo i bezawaryjność, a to z kolei można uzyskać za sprawą przewodów o wysokiej przewodności elektrycznej, wytrzymałości mechanicznej, odporności cieplnej, odporności reologicznej i odporności zmęczeniowej (rys. 2.2).. 13.

(14) NAPOWIETRZNE LINIE ELEKTROENERGETYCZNE CEL: PRZESYŁ ENERGII. WYDAJNOŚĆ WYSOKA PRZEWODNOŚĆ ELEKTRYCZNA. BEZPIECZENSTWO. WYSOKA WYTRZYMAŁOŚĆ MECHANICZNA. WYSOKA ODPORNOŚĆ CIEPLNA. BEZAWARYJNOŚĆ. WYSOKA ODPORNOŚĆ REOLOGICZNA. WYSOKA ODPORNOŚĆ ZMĘCZENIOWA. Rys.2.2. Wymagania materiałowe względem przewodów napowietrznych linii elektroenergetycznych [75]. 2.1.1. Definicje Elektroenergetyczna linia napowietrzna, to infrastruktura techniczna służąca do przesyłania energii elektrycznej. Chcąc dokładniej zdefiniować napowietrzną linię elektroenergetyczną, na wstępie należy przeanalizować z jakich elementów się ona składa. Należą do nich: słupy – konstrukcje wsporcze, przewody fazowe i odgromowe oraz izolatory i osprzęt. Na rys. 2.3 zaznaczono wszystkie te elementy, które składają się na linię napowietrzną wysokiego napięcia.. PRZEWODY ODGROMOWE ODSTĘPNIK. PRZEWODY FAZOWE. POPRZECZNIK SŁUPA IZOLATOR (ŁAŃCUCH IZOLATORÓW). TRZON SŁUPA. Rys. 2.3. Elementy linii napowietrznej wysokiego napięcia [6] Konstrukcją wsporczą linii jest słup, posiadający jeden lub kilka poprzeczników do których przymocowane są łańcuchy izolatorów, trzymające przewody robocze. Wyróżnia się kilka rodzajów słupów w zależności od celu ich przeznaczenia i są to: słupy przelotowe (podtrzymujące przewody), odporowe (przejmujące naciąg linii), odporowo – narożne, krańcowe i rozgałęźne. Dodatkowo każdy słup wyposażony jest w ochronę odgromową w postaci uziemienia [4]. 14.

(15) Przewody robocze, czyli te, które odpowiedzialne są za przesył energii elektrycznej to inaczej przewody fazowe. Montowane są one do konstrukcji wsporczych za pośrednictwem izolatorów. Natomiast przewody odgromowe, montowane są w górnej części konstrukcji wsporczej (słupa) i bezpośrednio są z nią połączone. Jak już wcześniej wspomniano słupy są uziemione, przez co pełnią one funkcję ochronną dla przewodu fazowego przed bezpośrednimi wyładowaniami atmosferycznymi, będąc swoistego rodzaju piorunochronem [5]. Izolatory za pomocą których przewody robocze przymocowane są do konstrukcji wsporczych, mają za zadanie zapewnienie bezpiecznego odstępu pomiędzy elementami przewodzącymi prąd elektryczny, a stalową konstrukcją słupa. Rodzaj zastosowanych izolatorów zależy od napięcia linii oraz typu zastosowanych przewodów fazowych. Dla linii 400kV odstępy elektroizolacyjne muszą być odpowiednio duże, dochodzące do kilku metrów. W takich przypadkach należy zastosować łańcuchy izolacyjne, które zapobiegają opadnięciu przewodu, w razie uszkodzenia jednego z łańcuchów, zapewniając tym samym bezpieczną eksploatację napowietrznych linii elektroenergetycznych [4]. Ze względu na minimalizowanie obciążenia mechanicznego linii pochodzącego od masy przewodu, czy parcia wiatru, dąży się do redukcji średnic i tym samym ograniczania stosowania na nich izolacji. Rolę izolacji elektrycznej w liniach napowietrznych pełni powietrze. Natomiast, ze względów bezpieczeństwa do linii niskich i średnich napięć, które znajdują się w najbliższym otoczeniu człowieka, zaleca się stosować przewody izolowane. [5] Generalnie linie napowietrzne dzieli się na linie przesyłowe i rozdzielcze. Linie przesyłowe to te które przesyłają znaczne ilości energii elektrycznej z miejsca jej wytworzenia do stacji elektroenergetycznych i są to linie najwyższych napięć (NN) – powyżej 800kV oraz wysokiego napięcia (WS) – powyżej 33kV. Z kolei linie rozdzielcze (dystrybucyjne) odpowiedzialne są za przesył energii elektrycznej do odbiorców. W skład tych linii wchodzą linie wysokiego (> 33kV), średniego (1 - 33kV) i niskiego napięcia (< 1kV). Całość linii napowietrznej składa się z mniejszych elementów jakimi są przęsła linii elektroenergetycznej. Odcinek przęsła to odległość między sąsiadującymi konstrukcjami wsporczymi połączonymi przewodem elektroenergetycznym, transportującym energię elektryczną (prąd). Schemat ogólny przęsła wraz z zaznaczonymi parametrami przedstawiono na rys. 2.4.. Rys. 2.4. Schemat przęsła napowietrznej linii elektroenergetycznej 15.

(16) Parametrami charakteryzującymi przęsło napowietrznych linii elektroenergetycznych, są: rozpiętość przęsła (a), zwis przewodu (f) oraz jego odległość od ziemi i innych obiektów, a także wysokość konstrukcji wsporczych (H) i naciąg przewodu (N). Pozioma odległość pomiędzy sąsiednimi slupami wsporczymi określa się jako rozpiętość przęsła (a), w której zawieszony jest przewód pod pewnym naprężeniem (σ). W zależności od naprężenia zmienia się krzywizna rozpiętego w przęśle przewodu. Odległość pionowa pomiędzy najniżej położonym punktem na krzywej zwisania przewodu, a prostą łączącą punkty jego zawieszenia nosi nazwę zwisu (f). Wartość zwisu można obliczyć korzystając z uproszczonego wzoru (2.1): 𝑎2 𝑔 𝑓= 8𝜎. (2.1). gdzie: a – rozpiętość przęsła, g – ciężar jednostkowy przewodu w N/(m∙mm2), σ – naprężenie Znajomość wartości zwisów przewodu jest niezbędna do określenia wysokości słupów i zapewnienia bezpiecznej odległości przewodu od ziemi i otoczenia człowieka. Natomiast iloczyn naprężenia (σ) i całkowitego przekroju poprzecznego przewodu (Sc), określa naciąg (N), zgodnie z równaniem (2.2) i wyraża się go w niutonach ([N]), gdyż naciąg to siła styczna do osi podłużnej przewodu. 𝑁 = 𝜎 ∙ 𝑆𝑐. (2.2). Większość istniejących linii napowietrznych w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE) projektowana była zgodnie z wycofaną już normą PN-E-05100 [1], w której zostały wyróżnione trzy przypadki w jakich przewód osiąga ekstremalne (największe bądź najmniejsze) wartości naprężenia i zwisu. Pierwszy stan „upał”, występuje w temperaturze otoczenia +40°C, gdzie w wyniku wydłużenia cieplnego, powstaje największy zwis. Stan drugi „mróz” występuje w temperaturze -25°C, gdzie następuje skrócenie linii zwisania przewodu, spowodowanego maksymalnym naprężeniem i naciągiem przewodu. Natomiast stan trzeci „sadź” to połączenie niskiej temperatury (-5°C) i pojawiającej się sadzi. W efekcie, kulminacja obu czynników, prowadzi do maksymalnego naprężenia przewodu w przęśle napowietrznych linii elektroenergetycznych, a także wystąpienia maksymalnego zwisu. Zarówno wzrost temperatury jak i obciążenia przewodu przyczynia się do powiększenia zwisu. Projektując elektroenergetyczną linię napowietrzną (naciąg, naprężenie, wysokość konstrukcji wsporczych dla danego przewodu), uwzględnia się największy zwis normalny, tj.: zwis pojawiający się w temperaturze granicznej roboczej lub w temperaturze -5°C i obecności sadzi normalnej [7]. Zgodnie z normą PN-E-05100 [1] za graniczną temperaturę roboczą przyjęto +40°C. Kolejna, nowsza wersja tej normy [2], podwyższyła temperaturę do +60°C i +80°C, w celu poprawy bezpieczeństwa ludzi i środowiska. Natomiast aktualną obowiązującą normą w Polsce jest europejska norma PN-EN 50341 [3] z 2013 roku dotycząca nowych elektroenergetycznych linii napowietrznych prądu przemiennego powyżej 1kV o znamionowych częstotliwościach poniżej 100Hz. Zmiana temperatury przewodu z T1 do T2, bądź wydłużenie linii zwisania wynikające z odkształcenia pełzania, relaksacji naprężeń czy osiadania przewodu przyczynia się do zmiany naprężenia przewodu rozpiętego w przęśle napowietrznej linii elektroenergetycznej z σ1 do σ2.. 16.

(17) Zjawisko to dla przęseł o długości do 1000 m dobrze opisuje ogólnie znane równanie stanu wiszącego przewodu (2.3), zgodnie z [5],[8],[9]: 𝑎2 𝑔2 2 𝐸 𝑎2 𝑔1 2 𝐸 𝜎2 − = 𝜎1 − − 𝐸 ∙ [𝛼(𝑇2 − 𝑇1 ) + 𝜀𝑝 + 𝜀0 ] 24𝜎2 2 24𝜎1 2. (2.3). gdzie: σ1 σ2 T1 T2 E α a g εp εo. -. naprężenie naciągu w przewodzie w stanie 1 naprężenie naciągu w przewodzie w stanie 2 temperatura przewodu w stanie 1 temperatura przewodu w stanie 2 moduł sprężystości wzdłużnej przewodu (moduł Younga) współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej przewodu rozpiętość przęsła ciężar objętościowy przewodu odkształcenie przewodu pochodzące od pełzania odkształcenie przewodu pochodzące od osiadania. Znajomość zależności (2.1), (2.2) i (2.3), jest niezbędne przy projektowaniu i montażu napowietrznych linii elektroenergetycznych, gdyż pozwala określić warunki montażowe, wartości zwisów, a także wpływu zmieniających się czynników na naprężenie przewodu. Projektując elektroenergetyczne linie napowietrzne, należy również dbać o zachowanie odpowiedniego poziomu ochrony środowiska, tj. poziomu oddziaływania akustycznego, oddziaływania pola elektromagnetycznego, a także poziomu zakłóceń radioelektrycznych, zgodnie z: [10],[11],[12].. 2.1.2. Budowa i rodzaje przewodów Najważniejszym elementem napowietrznej infrastruktury elektroenergetycznej są przewody fazowe, gdyż to one dostarczają energię elektryczną do odbiorców. W zależności od miejsca oraz warunków w jakich przebiega linia, stosuje się odpowiednie konstrukcje przewodów oraz materiały, z których są one wykonane. Dobierając ostateczny kształt, wymiary oraz materiały na przewód dąży się przede wszystkim do uzyskania efektywnego i jak największego przesyłu energii elektrycznej, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich własności mechanicznych. Ważnym są również inne własności eksploatacyjne, o których mowa będzie w dalszej części pracy (rozdział 2.1.4). Ogół uzyskanych własności dla wybranego przewodu musi zagwarantować bezpieczną jego eksploatację przez długi okres czasu. W tablicy 2.1 przedstawiono przykładowe konstrukcje przewodów obecnie stosowanych w elektroenergetyce napowietrznej, natomiast w tablicy 2.2 zestawiono konstrukcje te w zależności od rodzaju rdzenia nośnego i warstwy przewodzącej prąd elektryczny.. 17.

(18) Tablica 2.1. Rodzaje przewodów stosowanych w liniach napowietrznych wysokiego napięcia [16],[24] Przekrój poprzeczny przewodu. Nazwa przewodu. PRZEWODY TRADYCYJNE. AAC All Aluminium Conductors AAAC All Aluminium Alloy Conductors ACAR Aluminium Conductors Alloy Reinforced ACSR Aluminium Conductors Steel Reinforced AACSR Aluminium Alloy Conductors Steel Reinforced SD Self Damping Conductors. PRZEWODY SPECJALNE. VR Vibration Resistant Conductors. Hollow Conductors. Oval Conductors. Low Noise Conductors. OPPC Optical Phase Conductor. 18.

(19) ACSS Aluminium Conductors Steel Supported. PRZEWODY WYSOKOTEMPERATUROWE. TACSR Thermal Aluminium Conductors Steel Reinforced TAAAC Thermal Aluminium Alloy Conductors TACIR Thermal Aluminium Conductors Invar Reinforced ACCC Aluminium Composite Core Conductors ACCR Aluminium Composite Core Reinforced GTACSR Gap Thermal Aluminium Conductors Steel Reinforced - aluminium - konwencjonalny stop aluminium - odporny termicznie stop aluminium - rurka aluminiowa z wiązką światłowodową - stal aluminiowana lub cynkowana - inwar aluminiowany lub cynkowany - kompozyt z włókien węglowych i szklanych w osnowie polimerowej - kompozyt z włókien Al2O3 w osnowie aluminiowej. 19.

(20) Tablica 2.2. Zestawienie typów przewodów napowietrznych w zależności od rdzenia nośnego i warstwy przewodzącej [13], [14], [15], [16]. Materiał na warstwy przewodzące. np.: Konwencjonalne stopy aluminium 6201-T81. Technicznie czyste aluminium. Wysokotemperaturowe stopy aluminium. Stal ocynkowana, HS. AACSR. Materiał na rdzeń przewodu Kompozyt Invar z włókien Kompozyt Stal pokryta pokryty z włókien aluminium Al2 O3 w Cu-Ag bez rdzenia aluminium węglowo (ACS) osnowie (HACIN) szklanych aluminium. AACSR. ACAR. 1350-H19. ACSR. ACSR. 1350-O. ACSS/GA. ACSS/AW. AT1. TACSR. AT2. KTACSR ZTACSR GZTACSR. AT3 AT4. AAAC. TAL/ACS (TACSR/ACS) KTACSR/ACS ZTAL/ACS (ZTACSR/ACS). AAC ACCC. ACCAS. TACIR TAAAC ZTACIR. ACCR. XTACIR. Przewody do elektroenergetyki napowietrznej ze względu na stosowane materiały można podzielić na przewody jednorodne i bimateriałowe (złożone). Przewody jednorodne w swej budowie posiadają druty wykonane z tego samego materiału, które pełnią zarówno funkcję nośną przewodu jak i przewodzącą prąd elektryczny. Najczęściej wykonuje się je ze stopów aluminium. Przykładami przewodów jednorodnych są przewody AAC, AAAC i TAAAC. Przewody AAC (All Aluminium Conductors) to przewody w całości wykonane z drutów aluminiowych, najczęściej z gatunku 1350 – H19 i posiadają one największy stosunek przewodności elektrycznej do wagi ze wszystkich przewodów napowietrznych. Charakteryzują się jednak niskimi własnościami mechanicznymi, dzięki czemu jest idealny do wykorzystania w obszarach miejskich, o ograniczonej przestrzeni, gdzie wymagane są krótkie przęsła ale o jak największej wydajności prądowej [18]. Z kolei zastosowanie w takiej konstrukcji jednorodnej, stopów aluminium znacznie podnosi wytrzymałość całego przewodu. Przewody o takiej budowie to przewody AAAC (All Aluminium Alloy Conductors), które dzięki wysokiej odporności na korozję, wysokim własnościom elektrycznym i mechanicznym, a także niskiej cenie, stają się jednymi z bardziej obiecujących i coraz częściej stosowanych przewodów w liniach napowietrznych. Natomiast w celu podwyższenia odporności cieplnej takiego przewodu stosuje się przewody z grupy HTLS (High Temperature Low Sag), którego przedstawicielem dla przewodów jednorodnych jest konstrukcja TAAAC (Thermo-resistant Aluminium-Alloy Conductor). Charakteryzuje się on niższym współczynnikiem wydłużenia sprężystego, wyższym współczynnikiem wydłużenia cieplnego i niskim ciężarem objętościowym w odniesieniu do tradycyjnych konstrukcji [19]. Natomiast w przewodach bimateriałowych występuje odrębny rdzeń nośny oraz część czynna elektrycznie na osnowie aluminium. Przykładami przewodów bimateriałowych są wszystkie przewody z tablicy 2.2, poza wymienionymi powyżej, z czego najpopularniejszy i najdłużej stosowany jest ACSR (Aluminium Conductors Steel Reinforced). Ze względu na stosunkowo wysoki ciężar takiego przewodu oraz ryzyko korozji na kontakcie warstwy przewodzącej z rdzeniem stalowym coraz większe zastosowanie znajdują konstrukcje jednorodne oparte na aluminium i jego stopach. Szczególnym przypadkiem są przewody ACAR (Aluminium Conductors Alloy Reinforced), które w swej budowie nie posiadają wyraźnego rdzenia nośnego (jak w przewodach jednorodnych), a w całości składają się z kombinacji różnie ułożonych drutów aluminiowych oraz ze stopu aluminium (podobnie jak przewody bimateriałowe). Dlatego jak to określono 20.

(21) w pracy [16]: „Jest to konstrukcja samonośna na pograniczu przewodów jednorodnych i bimateriałowych”. Własności fizyczne obu rodzajów drutów są bardzo zbliżone do siebie, natomiast różnią się własnościami mechanicznymi i elektrycznymi. Średnice obu rodzajów drutów są takie same, co umożliwia kombinację ilości oraz ułożenia drutów w konstrukcji przewodu ACAR, w efekcie uzyskując pożądane własności. Innego podziału można dokonać w zależności od maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy wynikającej z odporności cieplnej przewodu. Dzielą się one na przewody konwencjonalne o dopuszczalnej temperaturze roboczej pracy ciągłej ok. +80°C i przewody wysokotemperaturowe, których temperatura robocza może wynosić od +150°C do +240°C [16]. Na dopuszczalną temperaturę roboczą przewodu wpływ ma odporność cieplna warstwy przewodzącej. Na rys. 2.5 ukazano odporność cieplną przewodowych stopów, gdzie AT1, AT2, AT3 i AT4 są to typy drutów wysoko odpornych cieplnie ze stopów aluminium – cyrkon wg normy IEC 62004:2007(E) [20].. Rys. 2.5. Odporność cieplna przewodowych stopów [13, 20] Do przewodów wysokotemperaturowych zaliczają się wszystkie konstrukcje zawierające w swojej budowie druty typu: AT1, AT2, AT3 lub AT4 jako materiały czynnie przewodzące prąd elektryczny oraz rdzenie nośne ze stali ocynkowanej, stali aluminiowanej, z inwaru (stop FeNi), czy kompozytu. Istnieją również inne przykłady odpornych cieplnie przewodów, chociażby ACSS (Aluminium Conductors Steel Supported) czy ACCC (Aluminium Composite Core Conductors). Oba przewody wykorzystują do transmisji energii elektrycznej druty wykonane z miękkiego wyżarzonego aluminium w gat. 1350 w stanie O, z tą tylko różnicą, że pierwszy jako element nośny wykorzystuje typowy rdzeń stalowy, z kolei drugi, dużo lżejszy przewód, kompozyt z włókien węglowo szklanych. Natomiast ich dopuszczalna temperatura pracy wynosi odpowiednio 200°C - 250°C dla ACSS [22] i 180°C dla ACCC [21]. Jak wcześniej wspomniano w tradycyjnych przewodach bimateriałowych ACSR mogą się pojawiać problemy na kontakcie aluminium – stal, dlatego też w celu uniknięcia tego problemu w przewodach wysokotemperaturowych z rdzeniem stalowym dąży się do wyraźnego mechanicznego odseparowania, rdzenia nośnego od warstw przewodzących. W tym celu zaprojektowano konstrukcję typu GTACSR (Gap Thermal Aluminium Conductors Steel Reinforced), posiadającą w swej budowie szczelinę wypełnioną smarem, dzięki czemu możliwe jest ustawienie naciągu podczas montażu, wyłącznie rdzenia stalowego [23] i ponadto odsunięcie problemu korozji. Przewody odporne cieplnie w porównaniu do innych typów przewodów posiadają również korzystną charakterystykę zwis – temperatura przewodu [21].. 21.

(22) Istnieje również inna grupa przewodów, tzw. przewody specjalne, różniące się między sobą w zależności od przeznaczenia i zalicza się do nich np.: przewody o obniżonym hałasie akustycznym, czy przewody o podwyższonej odporności na drgania eolskie. Przykłady konstrukcji przewodów specjalnych zamieszczono w tablicy 2.1, wyłącznie w celach poglądowych. Kolejnym, interesującym przykładem przewodu o jakże odmiennej konstrukcji oraz zastosowanym materiałom są nowoczesne przewody ACCAS (Aluminium Conductor Copper Alloy Supported) [125]. Przewód ten zbudowany jest z rdzenia nośno-przewodzącego wykonanego z wysokowytrzymałych stopów Cu-Ag o wysokiej przewodności elektrycznej oraz warstwy wyłącznie przewodzącej prąd elektryczny, wykonanej z drutów aluminiowych w stanie miękkim [15]. Odpowiednio wytworzony stop Cu-Ag pozwala uzyskać wartość wytrzymałości na rozciąganie na poziomie min 1000MPa i przewodności elektrycznej min. 75%IACS. Informacji o tym innowacyjnym stopie można poszukiwać m.in. w pracy Kaweckiego [79]. W celu zwiększenia obciążalności prądowej przewodu stosuje się zamianę tradycyjnych drutów okrągłych na druty profilowe (np.: trapezowe). W rezultacie można uzyskać o ok. 2025% więcej materiału przewodzącego dla tej samej średnicy przewodu (rys.2.6a). Chcąc z kolei zachować takie samo pole przekroju przewodu, a stosując druty trapezowe, można zredukować jego średnicę o ok. 10% (rys.2.6b) [17]. Takie działanie jest pożądane, gdyż pojawiające się obciążenie wynikające z sadzi bądź wiatru będzie mniejsze na przewodzie o mniejszej średnicy. Przewód o zredukowanej średnicy oraz konstrukcje wsporcze dla nich są zatem mniej narażone na awarie [18]. a). b). Rys. 2.6. Przykłady zastąpienia tradycyjnych okrągłych drutów na trapezowe w przewodzie ZTACSR: a) z zachowaniem tej samej średnicy przewodu; b) z zachowaniem tego samego pola przekroju przewodu [17] Pomimo szerokiej gamy typów przewodów, co zostało przedstawione w niniejszym rozdziale, stale poszukuje się nowych typów przewodów o coraz lepszych własnościach mechanicznych, elektrycznych oraz eksploatacyjnych jak wysoka odporność cieplna, reologiczna, czy zmęczeniowa. Z analizy obecnej infrastruktury napowietrznej sieci elektroenergetycznej (rys.2.7) wynika, iż rynek zdominowany jest przez typowe przewody stalowo – aluminiowe ACSR i w skali światowej stanowią ponad 80% zastosowanych rozwiązań. Drugą znaczącą pozycję zajmują jednorodne przewody ze stopów aluminium (6%), które szeroko stosowane są w Francji, Szwecji, Wielkiej Brytanii i Australii. Dane te pochodzą z raportu CIGRE [25] z ankiety przeprowadzonej przez członków stowarzyszenia w 1998 roku. Niestety brak jest współczesnych danych na ten temat. Z kolei biorąc pod uwagę popyt światowy na przewody ACSR oraz przewody stopowe (rys. 2.8), obserwuje się coraz większe zainteresowanie przewodami stopowymi [26]. Również w Polsce od ostatniej dekady ubiegłego stulecia, kiedy to opracowano technologię produkcji walcówki, drutów oraz przewodów ze stopów aluminium, intensywnie wprowadza się je na rynek. Między innymi ze względu na coraz większe zainteresowanie przewodami AAAC, niniejsza praca jest im poświęcona.. 22.

(23) Rys. 2.7. Przewody wykorzystywane w istniejących instalacjach powyżej 100kV [25]. Rys. 2.8. Popyt światowy (przewody stopowe kontra ACSR) [26]. Dodatkowo analizując obecny stan sieci przesyłowych (Rys. 2.9) w Polsce aż 80% linii o napięciu 200kV i 23% linii 400kV jest starszych niż 30 lat. Natomiast w przedziale wiekowym 20 - 30 lat znajduje się 19% linii 200kV i aż 56% linii 400kV. Tylko 1% linii 200kV i 21% linii 400kV jest młodszych niż 20 lat. Wynik raportu dotyczącego bezpieczeństwa sieci przesyłowych energii elektrycznej w Polsce [27] jest bardzo niepokojący i świadczy o tym, iż Krajowy System Elektroenergetyczny „…działa w oparciu o przestarzały, wyeksploatowany system sieci…”. Ponadto przez ostatnich 20 lat zrealizowano tylko nie liczne nowe inwestycje.. Rys. 2.9. Struktura wiekowa napowietrznych linii elektroenergetycznych w Polsce [27] Z uwagi na palący problem modernizacji istniejących linii napowietrznych, należy dążyć do wymiany przewodów na nowe, lżejsze konstrukcje, które mogłyby pracować na istniejących konstrukcjach wsporczych bez konieczności ich przebudowy. Obecnie najlepszą alternatywą powszechnie stosowanych przewodów ACSR są wysoko przewodzące o dobrych własnościach wytrzymałościowych, jednorodne przewody ze stopów aluminium AAAC.. 23.

(24) 2.1.3. Materiały przewodzące Materiałami przewodzącymi prąd elektryczny są przede wszystkim srebro, miedź i aluminium. Spośród wymienionych najwyższą przewodnością charakteryzuje się srebro. Surowiec ten ze względu na słabe własności mechaniczne oraz wysoką cenę nie jest stosowany w analizowanym typie aplikacji elektrycznych. Przemysł kablowniczy opiera się głównie na miedzi i aluminium. Miedź mimo dużo lepszych własności mechanicznych i bardzo dobrej przewodności elektrycznej w porównaniu do aluminium posiada pewne mankamenty. Zaliczyć do nich należy wysoką cenę oraz gęstość, a także niekorzystny stosunek przewodności elektrycznej i/lub wytrzymałości mechanicznej do masy przewodu. Z tego też powodu miedź coraz częściej zastępowana jest przez aluminium, a jak ukazuje S. Fassbinder z Niemieckiego Instytutu Miedzi [28], miedź została całkowicie wyparta i zastąpiona w aplikacjach na przewody linii napowietrznych (rys. 2.10).. Rys. 2.10. Zastosowanie miedzi i aluminium w sektorze przemysłu elektrotechnicznego [28] Pierwsze rozwiązania konstrukcyjne opierały się na przewodach jednorodnych z aluminium. Szybko okazało się, iż słabe własności mechaniczne takiego przewodu zdecydowały o wzmocnieniu konstrukcji, stalowym rdzeniem nośnym. Stalowy rdzeń wzmacniał przewód wytrzymałościowo i reologicznie [29]. Pomimo ogromnej popularności przewodów ACSR, długoletnia eksploatacja wykazała problemy ze rdzą na kontakcie Al – Fe pomimo pokrywania stalowych drutów warstwą cynku. Kolejnym etapem rozwoju materiałów stosowanych na napowietrzne przewody elektroenergetyczne było wykorzystanie drutów z wysokowytrzymałych stopów AlMgSi w przewodach jednorodnych AAAC. Zastosowanie takiego rozwiązania pozwoliło na obniżenie masy jednostkowej przewodu oraz odsunięcie problemu korozji. Dzięki temu, iż stopy AlMgSi należą do grupy utwardzalnych wydzieleniowo, możliwe jest sterowanie w szerokim zakresie ich własnościami mechanicznymi, elektrycznymi i eksploatacyjnymi. Popularne w ostatnich latach stają się również wysokotemperaturowe stopy Al – Zr stosowane w przewodach HTLS (z ang. High Temperature Low Sag). Umożliwiają one podwyższenie temperatury roboczej przewodów do 150°C dla drutów typu AT1 i aż do 230°C dla drutów AT4 [20]. Dane przedstawione w materiałach firmowych [30], czy normach [77],[76],[34],[20] ukazują szeroki wachlarz 24.

(25) własności jakie oferują druty z przeznaczeniem na cele elektryczne. Dodatkowo, analizując je można zaobserwować zależność, iż wzrost własności elektrycznych zyskuje się generalnie kosztem spadku własności wytrzymałościowych materiału. Analizując konstrukcję przewodu, która składa się z naprzemiennie skręconych ze sobą warstw drutów, o tym jakie własności będzie posiadać cały przewód w pierwszej kolejności decydują pojedyncze druty (ich skład chemiczny oraz własności mechaniczne, elektryczne i eksploatacyjne). Dopiero kolejnym decydującym czynnikiem jest typ konstrukcji przewodu, czyli jego budowa geometryczna. Spośród powszechnie stosowanych stopów aluminium na cele elektryczne tj. stopów serii: 1xxx; 5xxx; 6xxx i 8xxx, na przełomie ostatnich 10 lat ogromną popularność w Polsce zdobyły stopy AlMgSi (z serii 6xxx). Sukces ten zawdzięczają przede wszystkim, wysokim własnościom elektrycznym oraz bardzo dobrym własnościom wytrzymałościowym. Wyżej wymienione stopy zostały opracowane w 1923 roku we Francji, a już po pięciu latach doczekały się instalacji w 60kV linii napowietrznej [5]. W Polsce pojawiły się one dopiero w latach 1994 - 2000, kiedy to opracowano technologię produkcji walcówki oraz drutów z nich wykonanych. W kolejnych latach zespół naukowy z wydziału Metali Nieżelaznych na Akademii Górniczo – Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie przyczynił się do rozwoju wiedzy na temat stosowania stopów AlMgSi na przewody elektroenergetyczne. Na świecie powstało wiele kompozycji chemicznych przewodowych stopów z serii 6xxx, a w tablicy 2.3 zebrano i przedstawiono te, które zostały zarejestrowane przez Aluminium Association [31]. Tablica 2.3. Zawartość dodatków stopowych w przewodowych stopach AlMgSi wg Aluminium Association [31] Stop 6101 6201 6005A 6201A. Kraj. Si 0,3-0,7 0,5-0,9 0,5-0,9 0,5-0,7. USA USA Francja Australia Wielka 6101A 0,3-0,7 Brytania 6101B Niemcy 0,3-0,6 6106 Francja 0,3-0,6 6002 Włochy 0,6-0,9 6401 EAA* 0,35-0,7 6501 Szwajcaria 0,2-0,6. Mg 0,35-0,8 0,6-0,9 0,4-0,7 0,6-0,9. Skład chemiczny [%wag.] Fe Cu Mn 0,5 0,1 0,03 0,5 0,1 0,03 0,35 0,3 0,5 0,5 0,04 -. 0,4-0,9. 0,4. 0,05. 0,35-0,6 0,4-0,8 0,45-0,7 0,35-0,7 0,2-0,6. 0,1-0,3 0,35 0,25 0,04 0,35. 0,05 0,25 0,1-0,25 0,05-0,2 0,2. Cr 0,03 0,03 0,3 -. Zn 0,1 0,1 0,2 -. Ti 0,1 -. B 0,06 0,06 -. -. -. -. -. -. 0,05 0,05-0,2 0,1-0,2 0,03 0,05-0,2. 0,2 0,05 0,05. 0,1 0,1 0,04 0,15. 0,08 0,01 0,15. 0,06 -. *European Alluminium Association Aktualnie najczęściej wykorzystywanymi na przewody napowietrzne stopami AlMgSi są stopy w gat. 6101 i 6201. Zgodnie z europejską normą EN 573 – 3 [32], stop 6101 zawiera 0,3 - 0,7% wag. Si i 0,4 - 0,9% wag. Mg, natomiast stop 6201: 0,5 – 0,9 % wag. Si i 0,6 – 0,9 % wag. Mg. Pierwsze normy dla drutów wykonanych z wyżej wymienionych stopów, określały tylko dwa typy drutów na przewody linii napowietrznych, a mianowicie typ A i B [33]. W kolejnych latach rozwój gospodarki oraz ciągły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną wymuszał na projektantach infrastruktury elektroenergetycznej poszukiwania coraz to nowszych rozwiązań materiałowych, które sprostają obecnym wymaganiom. Wprowadzona w 2002 roku nowa norma EN 50183 [34], zmieniła znacznie zakres wymaganych własności mechanicznych i elektrycznych tychże drutów w zależności od ich średnicy. Wyodrębniono nowe typy drutów od Al2 do Al7. Pomimo obowiązywania normy EN 50183 [34], stale poszukuje się materiałów o coraz wyższej przewodności elektrycznej. Pozwoliłoby to bowiem, na podwyższenie 25.

(26) obciążalności prądowej, czy zmniejszenie strat przesyłu energii elektrycznej w linii napowietrznej. Najnowszymi rozwiązaniami/koncepcjami tego zagadnienia są przewody o ponadstandardowej przewodności elektrycznej, tzw. typ HC (high conductivity) i EHC (extra high conductivity). Istnieje również trzeci rodzaj drutów o podwyższonej przewodności typ EEHC (extra extra high conductivity), lecz nie jest on jeszcze normowany, dlatego w rozważaniach został pominięty. Wzmianki o drutach charakteryzujących się ponadstandardową przewodnością elektryczną można znaleźć m.in. w pracach S. Karabay’a [36],[37],[38], czy T. Knycha [35], [39]. Na wykresie na rys. 2.11 przedstawiono graficznie relację wytrzymałość na rozciąganie - rezystywność wyżej omawianych typów drutów ze stopu AlMgSi zgodnie z wymaganiami norm [33], [34].. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE [MPa]. 360. EHC. HC. 340 AL4. Drut w gat. 6101 bezpośrednio z linii CP. 320. AL2 = 300. AL6 AL5. AL3. TYP A AL4. 280. AL2 AL6. TYP B AL5. AL3 AL7. ŚREDNICA ZNAMIONOWA DRUTÓW AlMgSi [mm]. 260. AL7. 1,5 2,5. 240 30. 31. 32. 33. 3 34. 3,5. 4 35. REZYSTYWNOŚĆ [nΩm]. Rys. 2.11. Relacje wytrzymałość na rozciąganie – rezystywność elektryczna przewodowych drutów ze stopu AlMgSi wg.: IEC 60104:1987 i EN 50183:2002 [33], [34] Na rys. 2.11 szare okrągłe znaczniki reprezentują druty typu A i B wg normy [33], białe okrągłe znaczniki dotyczą drutów typów od Al2 do Al7 wg normy [34], natomiast prostokątne obszary zaznaczone linią przerywaną odnoszą się do zakresu wymaganych własności dla drutów typu HC i EHC. Na podstawie powyższej analizy najbardziej interesującym materiałem z przeznaczeniem na napowietrzne przewody elektroenergetyczne wydaje się być stop oznaczony jako EHC o oporności właściwej nie przekraczającej 30,5 nΩm i minimalnej wytrzymałości na rozciąganie 295MPa. Ze względu na szerokie możliwości w sterowaniu własnościami stopów AlMgSi, praca skoncentrowana jest na druty z tego właśnie stopu oraz na drutach typu EHC z tego samego materiału jako wyrobu perspektywicznego i wielce obiecującego do zastosowań na przewody linii napowietrznych.. 26.

(27) 2.1.4. Wybrane problemy eksploatacyjne Przewód napowietrznej linii elektroenergetycznej zawieszony w przęśle, poddawany jest szerokiej gamie oddziaływań i obciążeń. Można je podzielić na oddziaływania bezpośrednie, czyli takie które są przyłożone wprost do przewodów, izolatorów, słupów, czy fundamentów oraz pośrednie wynikające np. ze zmiany temperatury otoczenia. Wszystkie te obciążenia linii napowietrznej mogą mieć charakter obciążeń statycznych lub dynamicznych (zmiennych w czasie) [41]. Szerzej o ich wpływie napisano w kolejnych podrozdziałach niniejszej dysertacji. Całościowo jednak rzecz ujmując, obciążenia te przyczyniają się do zmiany długości linii zwisania przewodu, generując odkształcenia pochodzenia sprężystego, termicznego, reologicznego (pełzanie przewodów), czy osiadania przewodu [18], co przedstawiono schematycznie na rys. 2.12. Analizując ten rysunek, należy zdawać sobie sprawę z faktu, iż jest to jedynie rysunek poglądowy, a prezentowane długości przewodu, o które powiększona została jego długość początkowa w rzeczywistości wynoszą jednie ułamki promila długości jednostkowej przewodu.. Rys. 2.12. Schemat wydłużenia linii zwisania przewodu rozpiętego w przęśle [18] Zmiany długości linii zwisania, a w szczególności wzrost zwisu przewodu powodujący niebezpieczne zbliżanie się przewodu ku ziemi, zagraża bezpieczeństwu ludzi i otoczenia. W efekcie może dojść do elektroenergetycznego przebicia do ziemi lub zerwania przewodu wywołując awarię typu „blackout”. Tego typu awarii systemu elektroenergetycznego w historii odnotowano wiele razy i dzięki temu zaczęto intensywniej interesować się badaniem wpływu temperatury, naprężenia oraz czasu na własności mechaniczne, elektryczne i eksploatacyjne drutów oraz przewodów z nich wykonanych aby mogły być one bezpiecznie eksploatowane przez jak najdłuższy okres czasu. 2.1.4.1. Obciążenia statyczne Obciążenia statyczne linii napowietrznej, są to obciążenia stałe / niezmienne w czasie. Zalicza się do nich ciężar własny słupów, łańcuchów izolatorów i inne dodatkowe przymocowane elementy (np. lotnicze oznaczenia ostrzegawcze w postaci kul), a także ciężar przewodów fazowych i odgromowych wraz z ich naciągami generowanymi przez ten ciężar w temperaturze zawieszenia przewodu w przęśle [41]. 27.

(28) W zależności od temperatury w jakiej montowany jest przewód oraz jego fizyko – mechanicznych własności, a także rozpiętości przęsła i ukształtowania terenu, przewód posiada określoną wartość siły naciągu / naprężenia. Maksymalna dopuszczalna wartość naprężenia uzależniona jest od własności wytrzymałościowych przewodu i określana jest mianem wytężenia (2.4). 𝑊𝑌𝑇ĘŻ𝐸𝑁𝐼𝐸 =. 𝜎 𝑅𝑚. (2.4). gdzie: σ - naprężenie Rm - wytrzymałość na rozciąganie Wartość wytężenia (2.4), jest wartością zmienną i zależy od temperatury w jakiej eksploatowany jest przewód, a ta zależy od warunków atmosferycznych oraz ilości transportowanej energii elektrycznej. W efekcie zmienia się również długość linii zwisania przewodu w przęśle. Wzrost temperatury generuje powiększanie zwisu f, gdyż dochodzi do wydłużenia cieplnego konstrukcji przewodu, natomiast spadek temperatury powoduje coraz większe naprężanie, a tym samym coraz większe wytężenie, które może skutkować statycznym zerwanie przewodu [42]. Dla zapewnienia bezpiecznej pracy linii napowietrznej podczas montażu należy wyznaczyć dopuszczalną górną i dolną granicę wytężenia przewodu, a następnie naprężenie montażowe dla danych warunków atmosferycznych i konstrukcyjnych linii. Dopuszczalną górną oraz dolną obwiednię naprężeń ustala się przy założeniu najbardziej niekorzystnych przypadków układów obciążeń [41] oraz przy wykorzystaniu równania stanu wiszącego przewodu (2.5) [42] (ponieważ mowa jest o obciążeniach statycznych, w równaniu (2.5) nie uwzględnia się członu reologicznego oraz członu od osiadania przewodu jak ukazuje to równanie (2.3)). Przykładową ilustrację graficzną obwiedni dopuszczalnych naprężeń w przewodzie AAL400 rozpiętym w przęśle o długości 400m przedstawiono na rys. 2.13. 𝑎2 𝑔2 2 𝐸 𝑎2 𝑔1 2 𝐸 𝜎2 − = 𝜎1 − − 𝐸 ∙ 𝛼(𝑇2 − 𝑇1 ) 24𝜎2 2 24𝜎1 2. (2.5). 100. 90. NAPRĘŻENIE [MPa]. 80. 70. GÓRNA OBWIEDNIA DOPUSZCZALNYCH NAPRĘŻEŃ. 60. 50. DOLNA OBWIEDNIA DOPUSZCZALNYCH NAPRĘŻEŃ. 40. 30 -30. -20. -10. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. TEMPERATURA [ºC]. Rys. 2.13. Górna i dolna obwiednia dopuszczalnych naprężeń w przewodzie AAL400 [42]. 28.

(29) Znormalizowane [43] przypadki zespołu obciążeń, uwzględniają wpływ ciężaru własnego przewodu, zmiany temperatury, obciążenia wynikającego z oblodzenia przewodu oraz wiejący wiatr. Warunki atmosferyczne z kolei wpływają na zróżnicowaną intensywność oddziaływania tychże obciążeń na przewód. Ponieważ prawdopodobieństwo jednoczesnego wystąpienia najbardziej niekorzystnych warunków tj. maksymalnego oblodzenia, wiatru oraz minimalnej temperatury, jest na tyle małe, iż w normie PN-EN 50341-3-22:2010 [43] takiego przypadku nie uwzględniono. Norma [43] jest rozszerzeniem zaleceń ujętych w specyfikacji [3] i odnosi się ona do warunków klimatycznych panujących w Polsce. W tablicy 2.4 przedstawiono przypadki układów obciążeń linii napowietrznej, które należy rozpatrzyć projektując linię. Tablica 2.4. Przypadki układów obciążeń uwzględniające naciąg przewodów [43], [41] Temperatura Lp. Obciążenia Układ obciążenia przewodu [°C] Ciężar własny przewodów 1 Normalne -5 +50% charakterystycznego obciążenia oblodzeniem Ciężar własny przewodów 2 Normalne -5 +100% charakterystycznego obciążenia oblodzeniem 3 Normalne -25 Ciężar własny przewodów Ciężar własny przewodów 4 Normalne +10 +maksymalne obciążenie wiatrem 5 Normalne +40 Ciężar własny przewodów Ciężar własny przewodów 6 Normalne -5 +duże obciążenie oblodzeniem +umiarkowane obciążenie wiatrem Ciężar własny przewodów 7 Normalne -5 +umiarkowane obciążenie oblodzeniem +duże obciążenie wiatrem Analiza warunków ujętych w tablicy 2.4 jest niezbędna do zapewnienia bezpieczeństwa projektowanej linii elektroenergetycznej. Rozpatrując obciążenia statyczne linii napowietrznej należy uwzględnić stałe czynniki jakimi jest masa przewodu oraz osprzęt mu towarzyszący, a także naciąg montażowy przewodu. Należy również uwzględnić skrajne przypadki naprężeń w przewodzie, aby zapewnić bezpieczną ich eksploatację w prześle, dlatego też wskazane jest oszacować zakres dopuszczalnych naprężeń. Parametry te są stałe, lecz w rzeczywistości przewód jest konstrukcją „żywą”, tzn. w czasie eksploatacji linii napowietrznej jego własności ulegają zmianie. Dochodzi do powstawania trwałych odkształceń wynikających z osiadania przewodu i jego pełzania. Dodatkowo parametr temperatury przyczynia się do intensyfikowania tychże procesów. Również parametr wiatru czy sadzi nie jest obojętny. 2.1.4.2. Obciążenia dynamiczne Przewód napowietrznej linii elektroenergetycznej w czasie eksploatacji poddawany jest wielu zmiennym w czasie czynnikom, jak: oddziaływanie wiatru, oblodzenie, zmiany temperatury, osiadanie oraz pełzanie przewodów i tworzą one obciążenia dynamiczne dla linii. W efekcie inicjują one zmiany naciągu / naprężenia przewodów w przęśle [41]. Jak można zauważyć w równaniu stanu wiszącego przewodu (2.3), zakłada się addytywność tych przyczyn zmian naprężenia w przewodzie. 29.

(30) Naprężenie. Wyżej wymienione czynniki wpływające na zmianę naprężenia, powodują również zmianę długości przewodów. Należy jednak zwrócić uwagę, iż tylko niektóre z nich powodują nieodwracalną zmianę długości początkowej przewodu [5]. Trwałe przyrosty długości występują w wyniku osiadania oraz pełzania materiału, natomiast czynniki klimatyczne (temperatura, wiatr, oblodzenie) posiadają dwukierunkowy charakter zmian nie wywołujących trwałych odkształceń, ale będących czynnikiem wpływającym na intensywność procesów reologicznych. Ponieważ zmiany temperatury otoczenia, a tym samym przewodu oraz zjawisko pełzania drutów w przewodzie elektroenergetycznym są zjawiskami, które wymagają szerszej analizy ze względu na złożony charakter, dlatego poświęcono im osobne podrozdziały (2.1.4.3. i 2.1.4.4.) w niniejszej dysertacji. Natomiast w tej części skupiono uwagę na zjawisku osiadania przewodu oraz wpływie działania wiatru i osadzania się sadzi na przewodach linii napowietrznej. Zjawisko osiadania przewodu ma miejsce w początkowym okresie eksploatacji przewodu. Związane jest ono z lokalną rekonfiguracją położenia drutów w konstrukcji przewodu oraz ich zaciskania pod wpływem naprężeń rozciągających. Z kolei w ujęciu makroskopowym, osiadanie przewodu skutkuje zmianą jego modułu elastyczności i charakterystyki obciążania – odciążania w układzie naprężenie - odkształcenie. Aby lepiej zrozumieć to zagadnienie przeanalizowano przypadek ujęty na rys. 2.14.. σD. D. Ep. B. σmontażowe. σC. Ek. C. σE. A. F. E. εB. εD. Odkształcenie. Rys. 2.14. Analiza osiadania przewodu. Zależność naprężenie – odkształcenie przewodu [5] Podczas pierwszego naprężania przewodu w przęśle linii napowietrznej (σmontażowe), zależność naprężenia od odkształcenia posiada charakter nieliniowy (odcinek A-B) o pewnym początkowym module elastyczności Ep. W momencie odciążania tak naprężonego przewodu, krzywa posiada już charakter liniowy (odcinek B-C). Dodatkowo kąt nachylenia krzywej odciążania jest większy od kąta krzywej obciążania do naprężenia montażowego. Z kolei kolejne wahania naprężenia w rozważanym zakresie odbywają się ze stałym liniowym modułem elastyczności uzyskanym podczas odciążania tzw. końcowym modułem Ek. Jeżeli jednak naprężenie w przewodzie wzrośnie np. z powodu spadku temperatury lub wzrostu ciężaru objętościowego przewodu, powyżej σmontażowe, to wzrost naprężenia odbywać się będzie najpierw wzdłuż odcinka C-B (z modułem elastyczności Ek), a następnie po przekroczeniu naprężenia montażowego wzdłuż krzywej B-D (z modułem elastyczności Ep). Kolejne wahania naprężenia, poniżej σD odbywać się będą z modułem elastyczności Ek (wzdłuż linii D-E). 30.