Index of /rozprawy2/10266

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Metali Nieżelaznych Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych. PRACA DOKTORSKA Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. mgr inż. Piotr Uliasz. Promotor: dr hab. inż. Tadeusz Knych, prof. nadzw. AGH. Kraków, wrzesień 2010.

(2) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Spis treści Od Autora ............................................................................................................................................... 4 1 Wprowadzenie...................................................................................................................................... 7 2 Analiza literaturowa stanu zagadnienia ........................................................................................... 11 2.1 Charakterystyka systemu elektroenergetycznego ........................................................................ 11 2.1.1 Rozwój sieci elektroenergetycznych w Polsce ................................................................... 11 2.1.2 Bezpieczeństwo systemu przesyłowego ............................................................................. 14 2.2 Przewody napowietrzne w polskich liniach elektroenergetycznych ............................................ 15 2.2.1 Przewody tradycyjne ........................................................................................................... 15 2.2.2 Przewody stopowe jednorodne ........................................................................................... 15 2.2.3 Przewody z odpornych cieplnie stopów aluminium ........................................................... 17 2.2.3.1 Odporne cieplnie stopy AlZr ........................................................................................ 18 2.2.4 Przewody HTLS. Idea pracy. Własności i zastosowania .................................................... 21 2.3 Projektowanie stopów przewodowych na bazie aluminium ........................................................ 29 2.3.1 Przewodność elektryczna aluminium i jego stopów ........................................................... 29 2.3.2 Analiza układu podwójnego AlZr ....................................................................................... 33 2.4 Podsumowanie analizy literaturowej ........................................................................................... 39 3 Teza. Cel i zakres pracy ..................................................................................................................... 41 3.1 Teza 41 3.2 Cel i zakres pracy ......................................................................................................................... 42 4 Naprężeniowo-temperaturowy model pracy przewodów HTLS ....................................................... 44 4.1 Idea pracy i koncepcja budowy przewodów HTLS ..................................................................... 44 4.2 Model przewodu HTLS ............................................................................................................... 46 4.3 Wpływ fizycznych i geometrycznych cech przęsła oraz warunków montażu i eksploatacji przewodów na temperaturę załamania ......................................................................................... 51 4.4 Podsumowanie ............................................................................................................................. 55 5 Koncepcja rozwiązania tematu. Program i metodyka badań ........................................................... 57 5.1 Koncepcja .................................................................................................................................... 57 5.2 Program badań ............................................................................................................................. 59 5.3 Metodyka badań eksperymentalnych ........................................................................................... 62 6 Metodyka parametryzacji długoczasowej odporności cieplnej przewodowych stopów aluminium 64 6.1 Definicja odporności cieplnej ...................................................................................................... 64 6.2 Metodyka parametryzacji odporności cieplnej drutów ................................................................ 65 6.2.1 Analiza problemu ................................................................................................................ 65 6.2.1.1 Badania nad drutami z miedzi i jej stopów .................................................................. 65 6.2.1.2 Podejście Beersa i współautorów ................................................................................. 66 6.2.1.3 Podejście Goruba i Wolfa ............................................................................................ 67 6.2.1.4 Podejście Kovala .......................................................................................................... 68 6.2.1.5 Podejście Matsudy ....................................................................................................... 69 6.2.1.6 Podejście Harveya ........................................................................................................ 70 6.2.1.7 Podejście Morgana dla przypadku 0 < W ≤ 15% ......................................................... 71 6.2.1.8 Podejście Morgana dla przypadku 0 < W ≤ Wa ........................................................... 72 6.2.1.9 Analiza zmian wytrzymałości na rozciąganie przewodowych stopów AlMgSi .......... 73 6.2.2 Opracowanie własnej metodyki parametryzacji odporności cieplnej ................................. 74 6.2.3 Weryfikacja opracowanej metodyki parametryzacji odporności cieplnej .......................... 77 6.3 Podsumowanie ............................................................................................................................. 80 2.

(3) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr 7 Badania materiałowe......................................................................................................................... 81 7.1 Opracowanie składu chemicznego przewodowych stopów AlZr. Uzasadnienie wyboru ........... 81 7.2 Technologia wytwarzania walcówki ze stopów AlZr .................................................................. 83 7.3 Badania laboratoryjne wpływu starzenia sztucznego na własności walcówki ............................ 85 7.4 Charakteryzacja własności walcówek i drutów uzyskanych w warunkach przemysłowych ....... 89 7.4.1 Własności mechaniczne walcówek w stanie H23 ............................................................... 89 7.4.2 Technologiczne krzywe umocnienia badanych materiałów................................................ 90 7.4.3 Odporność cieplna. Testy jednogodzinne ........................................................................... 93 7.4.3.1 Krzywe mięknięcia....................................................................................................... 93 7.4.3.2 Mikrostruktura drutów po testach jednogodzinnego wygrzewania.............................. 97 7.4.4 Odporność cieplna. Testy długoczasowe .......................................................................... 105 7.4.4.1 Stop AlZr0,02 - walcówka w stanie H14 ................................................................... 106 7.4.4.2 Stop AlZr0,22 - walcówka w stanie H16 ................................................................... 107 7.4.4.3 Stop AlZr0,22 - walcówka w stanie H23 ................................................................... 109 7.4.4.4 Stop AlZr0,26 - walcówka w stanie H23 ................................................................... 110 7.5 Podsumowanie ........................................................................................................................... 112 8 Opracowanie nowych konstrukcji przewodów HTLS .................................................................... 114 8.1 Analiza wybranych konstrukcji przewodów stalowo-aluminiowych ........................................ 114 8.1.1 Przewód 236-AL1/40-ST1A ............................................................................................. 115 8.1.2 Przewód 357-AL1/46-ST1A ............................................................................................. 116 8.1.3 Przewód 520-AL1/67-ST1A ............................................................................................. 117 8.2 Opracowanie konstrukcji przewodów HTLS............................................................................. 118 8.2.1 Charakteryzacja materiałów przewodowych .................................................................... 118 8.2.2 Charakteryzacja materiałów rdzeniowych ........................................................................ 120 8.2.3 Metodyka obliczeń parametrów przewodów HTLS ......................................................... 121 8.2.4 Własności i budowa opracowanych zamienników przewodów stalowoaluminiowych ................................................................................................................ 123 8.2.4.1 Wysokotemperaturowe zamienniki przewodu 236-AL1/40-ST1A............................ 123 8.2.4.2 Wysokotemperaturowe zamienniki przewodu 357-AL1/46-ST1A............................ 126 8.2.4.3 Wysokotemperaturowe zamienniki przewodu 520-AL1/467-ST1A.......................... 129 8.3 Charakterystyki naprężenie/zwis - temperatura ......................................................................... 132 8.3.1 Naprężenie montażowe 30% RTS przewodów HTLS – wariant 1 ................................... 134 8.3.2 Naprężenie montażowe 30% RTS przewodów tradycyjnych – wariant 2 ........................ 139 8.3.3 Analiza wyników obliczeń ................................................................................................ 144 8.4 Obciążalność prądowa przewodów wg IEEE 738-1993 ............................................................ 147 8.4.1 Metodyka obliczeń ............................................................................................................ 147 8.4.2 Charakterystyki prądowe .................................................................................................. 148 8.5 Stratność przesyłu ...................................................................................................................... 154 8.5.1 Metodyka obliczeń ............................................................................................................ 154 8.5.2 Charakterystyki stratności przesyłu .................................................................................. 154 8.6 Podsumowanie ........................................................................................................................... 158 9 Podsumowanie końcowe pracy ....................................................................................................... 159 10 Wnioski .......................................................................................................................................... 162 11 Literatura ....................................................................................................................................... 164 Aneks: Tabele wyników badań i obliczeń ........................................................................................... 173. 3.

(4) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Od Autora Nieustający wzrost popytu na energię elektryczną stanowiącą podstawę rozwoju cywilizacyjnego świata, wymusza potrzebę jednoczesnego rozwoju wielu interdyscyplinarnych dziedzin nauki i techniki. Ich podstawę tworzy szeroko rozumiane zapotrzebowanie na materiały o coraz to bardziej wyrafinowanych własnościach eksploatacyjnych. Przekłada się to na konieczność prowadzenia badań podstawowych budujących nowe technologie wytwarzania surowców i wyrobów. Z wymienionych powodów tematyka pracy doktorskiej wpisuje się do jednego z najważniejszych i najbardziej współcześnie finansowanych obszarów nauk stosowanych. W technice przesyłu energii elektrycznej problem skupia się na poszukiwaniu materiałów i rozwiązań koncepcyjnych przewodów umożliwiających zwiększenie przepustowości linii elektroenergetycznych przy całym szeregu współczesnych ograniczeń technicznych i środowiskowych. Analiza naukowa tak przedstawionego problemu wykazuje, że mamy w tym względzie do czynienia z ciągłością rozwoju nauki, technologii i techniki od samego początku podjęcia decyzji o przesyle energii liniami napowietrznymi. Współcześnie jesteśmy świadkami prac nad kolejną generacją materiałów i konstrukcji przewodów stanowiących krok milowy w możliwościach wzrostu obciążalności prądowej linii. Stwarzają to przewody HTLS (High Temperature Low Sag), wykorzystujące odporne cieplnie stopy aluminium-cyrkon oraz wysokowytrzymałe, lekkie i niskorozszerzalne termicznie rdzenie nośne. Ich poprzednikami były przewody miedziane oraz - do dzisiaj tworzące najpotężniejsze podstawy światowych systemów elektroenergetycznych - przewody ACSR oparte na aluminium wzmacniane wysokowytrzymałymi mechanicznie i reologicznie rdzeniami stalowymi. Koncepcja przewodów HTLS została opracowana w Japonii w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia, a ich praktyczne opracowania i wdrażanie do praktyki stały się potrzebą ostatnich lat, kiedy to świat zaczął odczuwać dotkliwy brak możliwości przesyłowych linii i osiągnął stan zagrożeń awariami typu blackout. W Europie normalizacja w obszarze przewodowych stopów aluminium-cyrkon stanowiących podstawę przewodów HTLS pojawiła się dopiero w roku 2007, co świadczy o absolutnej innowacyjności tej tematyki. Praktyczne aspekty w możliwościach wytwarzania przewodów HTLS tkwią w trudnościach uzyskania odpornych cieplnie przewodowych stopów aluminium-cyrkon oraz niskorozszerzalnych termicznie materiałach rdzeniowych o własnościach spełniających wymagania współczesnej elektroenergetyki. Obecnie stopy te produkowane są w dwóch firmach w Europie (Lamifil – Belgia i NPA Skawina – Polska). Istnieją również dwa chronione patentami rozwiązania rdzeni nośnych (Al/Al2O3 – firma 3M oraz włókna węglowe/włókna szklane/żywica epoksydowa – firma CTC obie z USA). Stanowi to poważne ograniczenie nie tylko techniczne, ale również ekonomiczne. Podstawę podjęcia tematyki pracy doktorskiej pt. „Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr” stworzyło uruchomienie produkcji walcówki z przewodowych stopów aluminium-cyrkon w NPA Skawina przeznaczonej na przewody typu HTLS oraz zainteresowanie Polskich Sieci Elektroenergetycznych - właściciela infrastruktury napowietrznej – tego typu przewodami.. 4.

(5) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Tematyka dysertacji wpisuje się w działalność naukową Katedry Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Wydziału Metali Nieżelaznych AGH, w której od szeregu lat prowadzone są prace badawcze nad nowymi materiałami i rozwiązaniami konstrukcyjnymi przewodów dla potrzeb nowoczesnej elektroenergetyki napowietrznej. Warto chociażby w tym miejscu przytoczyć wdrożenia w zakresie przewodów AlMgSi w polskim i zagranicznym przemyśle kablowym. Niniejsza praca nie miałaby możliwości powstania bez dostępności materiałów do badań, które uzyskano dzięki uprzejmości i zaangażowaniu Prezesa NPA Skawina Pana Mirosława Góralskiego. Pragnę tą drogą przekazać wyrazy szczerego podziękowania. Chciałbym również w tym miejscu podziękować wszystkim osobom oraz instytucjom, które przyczyniły się do powstania tej pracy. W szczególności Pragnę złożyć podziękowania Władzom Dziekańskim Wydziału Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej za umożliwienie uczestnictwa w Studium Doktoranckim. Dziękuję Kierownictwu Katedry Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych na Wydziale Metali Nieżelaznych za stworzenie możliwości szerokiego rozwoju naukowego. Składam podziękowania Ministerstwu Nauki i Szkolnictwa Wyższego RP za finansowy współudział w realizacji badań objętych zakresem niniejszej pracy. Pragnę złożyć podziękowania wszystkim Pracownikom Katedry Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych oraz Koleżankom i Kolegom ze Studiów Doktoranckich za przyjazną atmosferę oraz życzliwość. Chciałbym również złożyć podziękowania moim najbliższym współpracownikom, Koleżankom i Kolegom z Zespołu Laboratorium Badań Procesów Reologicznych, w którym powstawała niniejsza praca, w szczególności za miłą atmosferę, liczne i pomocne dyskusje, życzliwość, a zwłaszcza wyrozumiałość. Składam również podziękowania Kadrze inżynierskiej oraz technicznej NPA Skawina za liczne dyskusję i pomoc w realizacji pracy. Na zakończenie chciałbym podziękować moim Wspaniałym Rodzicom, Rodzeństwu oraz Najbliższym za cierpliwość oraz okazane zrozumienie.. Kraków, wrzesień 2010. Piotr Uliasz. 5.

(6) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Człowiek jest wielki nie przez to, co posiada, lecz przez to, kim jest; nie przez to, co ma, lecz przez to, czym dzieli się z innymi. Manilia, 18 lutego 1981. Jan Paweł II. Słowa te chciałbym złożyć na ręce Promotora tej pracy Pana Profesora Tadeusza Knycha, jako wyraz najgłębszej wdzięczności oraz podziękowanie za zaangażowanie oraz niezliczony czas poświęcony na dyskusje oraz wskazówki, które stanowiły opokę i motywację przy rozwiązaniu podjętej w pracy problematyki badawczej.. 6.

(7) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. 1 Wprowadzenie Postęp w metalurgii (synteza stopów, przeróbka plastyczna, inżynieria materiałowa etc.) odbywa się nie tylko w sposób naturalny poprzez badania podstawowe, ale coraz częściej wymuszany jest wzrastającymi wymaganiami nowoczesnej techniki względem wyrobów o niekonwencjonalnym zestawie fizyko-chemiczno-mechanicznych własności, tworząc w ten sposób podstawy inżynierii materiałów funkcjonalnych. Ów zespół jednocześnie występujących własności materiałowych definiuje cechy użytkowe (eksploatacyjne) wyrobów. W analizie materiałów przeznaczonych na cele elektryczne za najważniejsze obok przewodności elektrycznej uważa się odporność termiczną, zmęczeniową i reologiczną, a rosnący poziom wymagań sprawia, że coraz częściej metale technicznie czyste już nie wystarczają w tym względzie. W odniesieniu do napowietrznych linii elektroenergetycznych odporność cieplna materiałów przewodowych stanowi naturalną barierę wzrostu obciążalności prądowej, przekroczenie której jest niedopuszczalne z uwagi na niebezpieczeństwo utraty własności wytrzymałościowych przewodu i awarię linii. Aby temu zapobiec, montuje się odpowiednie zabezpieczenia przeciążeniowe, których efektem są niestety systemowe wyłączenia linii prowadzące do ryzyka blackoutów. Naturalnym rozwiązaniem tego problemu, zwłaszcza w warunkach współczesnych ograniczeń na swobodę budowy linii elektroenergetycznych, stają się nowe materiały o wyższej odporności termicznej, co pozwala na podwyższenie temperatury roboczej, a poprzez to na wzrost obciążalności prądowej przewodów. Temperatura przewodu ustala się na podstawie bilansu źródeł i strat ciepła realizującego się w warunkach dynamicznych, zależnych od losowych funkcji opisujących warunki otoczenia. Współcześnie wykorzystywane przewody napowietrzne to w większości przypadków konstrukcje stalowo-aluminiowe, dla których temperatura robocza wynosi 80ºC. Również nowa generacja bardzo atrakcyjnych przewodów jednorodnych wytwarzanych ze stopów AlMgSi posiada dopuszczenie do ciągłej pracy w temperaturze maks. 80ºC, a najnowsze ich odmiany w temperaturze do 110ºC. Badania nad nowymi materiałami przewodowymi o wyższej odporności cieplnej są przedmiotem prac prowadzonych w wielu ośrodkach naukowych i przemysłowych zwłaszcza w krajach o dużym potencjale gospodarczym, który przekłada się na zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną. Odporność cieplna jest cechą wymaganą od materiałów metalicznych w różnorakich aplikacjach, co sprawia, że rozwój nauki w tej dziedzinie następuje dość dynamicznie. Spośród wielu rynkowych stopów aluminium do najbardziej przydatnych na cele elektroenergetyki napowietrznej należą stopy aluminium-cyrkon, co się wiąże z mocnym wpływem cyrkonu na podwyższenie temperatury rekrystalizacji aluminium. Znane są inne dodatki podnoszące jego odporność cieplną (m.in. Scand, Tytan, Itr, Ind), lecz względy ekonomiczne zadecydowały o rynkowym sukcesie stopów AlZr. Z analizy diagramu równowagi podwójnej AlZr wynika, że cyrkon tworzy z aluminium roztwór stały graniczny o zmiennej rozpuszczalności, która w temperaturze perytektycznej wynosi 0,28%wag. Tak, więc czynnikiem hamującym procesy odnowy struktury są wydzielenia fazy Al3Zr, które. R.1/7.

(8) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. należy utworzyć w strukturze materiału na drodze odpowiednio przeprowadzonego procesu odlewania i jego dalszej obróbki cieplno-mechanicznej. Istnieją różne aplikacje przewodowych stopów aluminium-cyrkon o zawartości cyrkonu do 1,0%wag. uzyskiwanych według technologii chronionych patentami. Absolutny prym w tym względzie wiodą firmy japońskie. Odporne cieplnie przewodowe stopy AlZr umożliwiły podwyższenie temperatury roboczej przewodów do poziomu 230ºC, co przełożyło się na rozwój nowych konstrukcji przewodów wysokotemperaturowych (HT), a dzięki niskorozszerzalnym cieplnie nośnym rdzeniom także niskozwisowych (LS). Stworzyło to solidne podstawy wdrażania do wysokoobciążalnych prądowo linii elektroenergetycznych, nowoczesnych przewodów o nazwie HTLS (High Temperature Low Sag). Można przyjąć, że przewody HTLS stanowią kamień milowy końca XX wieku w rozwoju napowietrznej elektroenergetyki. Chociaż istnieje już cała rodzina różnych odmian przewodów HTLS wyróżnionych rodzajami zastosowanych materiałów, odmian konstrukcyjnych i temperatur roboczych, to w dalszym ciągu zasadnicze problemy naukowe i badawcze skupiają się wokół odpornych cieplnie materiałów przewodzących. Głównym problemem jest opracowanie metodyki szacowania dopuszczalnych temperatur długoczasowej eksploatacji przewodów ograniczającej ryzyko niekontrolowanej degradacji ich własności wytrzymałościowych. Wyróżniającą się cechą przewodów HTLS jest załamanie charakterystyki zwis-temperatura (z ang. „knee point”), której wartość zależy głównie od stosunku rozszerzalności liniowej rdzenia i części przewodzącej oraz parametrów budowy, montażu i eksploatacji przewodu. Podobną cechą charakteryzują się również tradycyjne przewody stalowo-aluminiowe, jednakże temperatury załamania ich charakterystyk zwisu leżą o wiele powyżej dopuszczalnej temperatury pracy umocnionego aluminium. Ponadto stal jako materiał o niemal dwukrotnie niższym od aluminium współczynniku rozszerzalności cieplnej, nie zapewnia odpowiednio niskiego zwisu w wyższych temperaturach. Z powyższych powodów klasyczne przewody stalowo-aluminiowe nie należą do grupy HTLS. Umiejętność szacowania temperatury załamania charakterystyk zwis-temperatura jako funkcji własności fizycznych zastosowanych materiałów i budowy geometrycznej przewodu oraz parametrów przęsła, montażu i eksploatacji linii to kolejny problem naukowy wymagający rozwiązania. Omawiana problematyka stanowi przedmiot dysertacji. Jej głównym celem jest opracowanie i parametryzacja odpornych cieplnie stopów aluminium-cyrkon oraz opracowanie propozycji konstrukcji przewodów HTLS. Aby to było możliwe, niezbędne jest przeprowadzenie prac studialnych, analitycznych i eksperymentalnych, a w tym opracowanie i wytworzenie materiału do badań, opracowanie metodyki i parametryzacja odporności cieplnej materiału oraz opracowanie naprężeniowo-temperaturowego modelu pracy przewodów HTLS. Pozwoli to na przeprowadzenie prac projektowych, których głównym efektem będą charakterystyki zwis-temperatura i obciążalność prądowa nowoopracowanych przewodów. Schemat ogólny planu pracy przedstawiono na rys. 1.1.. R.1/8.

(9) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Rys. 1.1. Schemat ogólny planu pracy Obejmuje on dwa duże obszary badawcze: teoretyczny (studialny, analityczny, projektowy) i eksperymentalny (materiałowy), zamknięte w dziesięciu rozdziałach. Obszar studialny to analiza literaturowa stanu zagadnienia w zakresie krajowego systemu elektroenergetycznego przeprowadzona pod kątem jego możliwości przesyłowych. Sformułowano ograniczenia funkcjonalne przewodów tradycyjnych oraz wymagania stawiane nowoczesnym przewodom wysokotemperaturowym. Przeanalizowano literaturę naukową z obszaru odpornych cieplnie stopów aluminium oraz istniejące rozwiązania patentowe w tym zakresie. Scharakteryzowano metodę projektowania składu chemicznego stopów AlZr pod kątem ich własności elektrycznych, wykorzystując do tego celu diagram AlZr, reguły Matthiessena i Nordheima oraz przeanalizowano zagadnienia technologii odlewania i obróbki cieplnej stopów Al z dodatkiem Zr. Przedstawione wyżej zagadnienia są przedmiotem rozdziału 2 dysertacji pt.”Analiza literaturowa stanu zagadnienia”, który kończy się oceną stanu wiedzy i wytycznymi w zakresie badań problematyki dotyczącej przewodów wysokotemperaturowych. Stworzyło to podstawy do sformułowania zasadniczej tezy pracy, która mówiąc najogólniej dotyczy stwierdzenia, że …zastosowanie odpornych cieplnie przewodowych stopów aluminium-cyrkon oraz niskorozszerzalnych cieplnie rdzeni nośnych pozwoli na opracowanie koncepcji nowej generacji przewodów napowietrznych znamiennych występowaniem załamania charakterystyki zwis-temperatura. Jej rozwinięcie i uzupełnienia znajdzie Czytelnik w rozdziale 3 dysertacji. Zagadnieniem stanowiącym przedmiot rozdziału czwartego jest budowa naprężeniowo-temperaturowego modelu przewodów HTLS i ocena wpływu różnych R.1/9.

(10) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. parametrów opisujących przewód, przęsło, montaż i eksploatację na kształt charakterystyki naprężenie/zwis-temperatura. Pozwoliło to na opracowanie wytycznych do zaprojektowania własności mechanicznych i elektrycznych stopów aluminium-cyrkon i technologii ich wytworzenia oraz całego programu dalszych badań materiałowych i projektowych, co jest przedmiotem rozdziału 5 pracy. Rozwiązaniu zasadniczego dla wyniku pracy problemu materiałowego poświęcono dwa rozdziały (6 i 7). W rozdziale szóstym zamieszczono rozważania nad parametryzacją odporności cieplnej stopów aluminium-cyrkon oraz metodyką określania ekwiwalentnych par temperatura-czas ekspozycji prowadzących do tego samego spadku własności wytrzymałościowych materiału. Do tego celu wykorzystano podejście Arrheniusa bazujące na wykładniczej postaci zależności log czasu-odwrotność temperatury bezwzględnej obowiązującej dla procesów aktywowanych cieplnie. Badania analityczne nad tym problemem poprzedzono analizą literaturową celem ukazania wkładu kilkudziesięcioletniej pracy różnych ośrodków naukowych oraz rozwoju myśli prowadzącej do różnych sposobów szacowania długoczasowej odporności cieplnej materiałów. W rozdziale siódmym zamieszczono wyniki badań nad stopami AlZr i technologią wytwarzania walcówki, dokonano identyfikacji jej własności przed i po obróbce cieplnej oraz zamieszczono wyniki badań nad odpornością cieplną drutów w testach jednogodzinnego i długoczasowego wygrzewania. Wyznaczono temperatury robocze i dokonano klasyfikacji materiałów na typy AT1 i AT3 wg oznaczeń zaproponowanych przez Międzynarodową Komisję Elektryczną w publikacji IEC pod numerem 62004 z roku 2007. Uzyskane wyniki badań materiałowych oraz mechaniczno-termiczny model przewodów HTLS umożliwił przeprowadzenie prac projektowych, których wyniki zamieszczono w rozdziale 8 pracy. Za główny cel projektów przyjęto koncepcję opracowania propozycji zamienników tradycyjnych przewodów stalowo-aluminiowych, przyjmując przy tym założenie o niezmienności średnicy przewodów i dopuszczalnych wartości zwisów. Analizie projektowej poddano przewody AFL-6 240; AFL-8 350 i AFL-8 525. Obliczenia przeprowadzono dla różnych rodzajów rdzeni, a dla każdego typu przewodu wyznaczono charakterystyki naprężenie/zwis/obciążalność prądowa versus temperatura. W pracy przyjęto zasadę bieżącego analizowania uzyskanych wyników i podsumowywania kolejnych podrozdziałów i rozdziałów. Całość kończy syntetyczne podsumowanie (rozdział 9), wnioski (rozdział 10) oraz literatura (rozdział 11). W celu stworzenia dokumentacji charakterystyk liczbowych będących podstawą ilustracji graficznej zamieszczonej w ramach poszczególnych rozdziałów i podrozdziałów dysertacji, do pracy dołączono aneks w charakterze dodatkowego rozdziału, w którym zamieszczono tabele z wynikami obliczeń uzyskanych na podstawie wyprowadzonych formuł i modeli.. R.1/10.

(11) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. 2 Analiza literaturowa stanu zagadnienia 2.1 Charakterystyka systemu elektroenergetycznego Powszechność energii elektrycznej narzuca konieczność ciągłości jej wytwarzania, przesyłu oraz dystrybucji. Powyższe zadania leżą u podstaw funkcjonowania Krajowych Systemów Elektroenergetycznych (KSE), które obejmują jednostki wytwórcze (elektrownie), urządzenia przesyłowe (linie i stacje elektroenergetyczne) oraz system dystrybucji (rozdział energii do odbiorców) [1]. Do głównych zadań KSE należy zagwarantowanie bezpieczeństwa energetycznego [2], tj. stanu gospodarki umożliwiającego pokrycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania na energię elektryczną. Z uwagi na brak technicznych możliwości gromadzenia energii elektrycznej w ilościach odpowiadających zapotrzebowaniu KSE, ilość wyprodukowanej energii musi - w każdym momencie jego pracy - odpowiadać ilości energii zużywanej. Awaria w pracy systemu na dowolnym jego odcinku może doprowadzić do wystąpienia wielu niebezpiecznych następstw. Wymusza to konieczność jego rozbudowy oraz współpracy z systemami krajów ościennych. Przyjmuje się, że system elektroenergetyczny powinien zapewnić ciągłą i bezpieczną pracę w warunkach utraty zdolności przesyłowych dowolnego, jednego z jego elementów (awaria/planowe wyłączenie), co przyjmuje się jako kryterium niezawodności pracy systemu „N-1” [3]. Powyższa analiza prowadzi do stwierdzenia, że przewody elektroenergetyczne, jako fundamentalna część napowietrznych linii przesyłowych, są jednym z głównych elementów Krajowego Systemu Elektroenergetycznego odpowiedzialnych za przesył energii elektrycznej od wytwórców do odbiorców, a ich niezawodna praca bezpośrednio gwarantuje bezpieczeństwo i samowystarczalność systemu. 2.1.1 Rozwój sieci elektroenergetycznych w Polsce Początki światowej elektroenergetyki sięgają końca XIX w., kiedy to powstają pierwsze linie napowietrzne w Europie i USA [4-8]. Polski napowietrzny system przesyłowy można datować na lata 1937/1939 [7] wraz z budową linii Mościce-Starachowice, RożnówMościce i Starachowice-Warszawa o napięciu 150 kV. W latach powojennych następuje rozbudowa sieci o napięciu 110 kV oraz powstaje pierwsza linia o napięciu 220 kV (Śląsk Łódź - Warszawa; 1947/1951). W roku 1951 długość linii najwyższych napięć w Polsce wynosiła 2899 km (220 kV -185 km, 110 kV - 2714 km), a w roku 1957 już 7160 km (220 kV - 738 km, 110 kV - 6422 km). W roku 1963 powstaje pierwsza linia o napięciu 400 kV (Mikułowa-Joachimów), a w 1984 linia o napięciu stałym 750 kV (Widełka-granica RP) [710]. Dalszy rozwój krajowych sieci elektroenergetycznych na przestrzeni ostatnich 15 lat wg danych Agencji Rynku Energii zamieszczono w tabeli 2.1 [11].. R.2/11.

(12) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Tabela 2.1. Długość linii elektroenergetycznych w przeliczeniu na jeden tor [11] Długość [km] Linie elektroenergetyczne 1995 2000 o napięciu [kV] 2005 (bez PKP Energetyka) (bez PKP Energetyka) 750 114 114 114 400 4552 4660 4831 220 8174 8116 8123 110 31817 32284 32310. 2008 114 4920 8151 32392. Widok ogólny systemu sieci przesyłowych w Polsce, którego właścicielem jest PSE Operator S.A. przedstawiono na rys. 2.1.. Rys. 2.1. Plan sieci przesyłowej w Polsce [1] Jak nietrudno zauważyć krajowy system elektroenergetyczny składa się głównie z linii napowietrznych o napięciu 220 kV (budowanych do 1985 r. [12]), a ich długość jest prawie dwukrotnie większa niż linii 400 kV. Przedstawiona analiza ukazuje również jeden z głównych problemów polskiej elektroenergetyki, jakim jest struktura wiekowa linii (por. rys. 2.2). Nietrudno również o stwierdzenie, że wobec braku nowych inwestycji liniowych sytuacja ulega systematycznemu pogorszeniu (dane z roku 2008 [13]).. R.2/12.

(13) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Ilość linii w odniesieniu do całkowitej długości [%]. 90. 220 kV. 400 kV. 80. 80 70. 60. 56. 50 40. 30. 23. 21. 19. 20 10. 1 0. 20 ≤ 30. < 20. > 30. Czas pracy linii [lata]. Rys. 2.2. Struktura wiekowa linii [13] Zapotrzebowanie na energię elektryczną w roku 2030 według prognoz Ministra Gospodarki wynosić będzie 220 TWh, zaś w roku 2050 wzrośnie do 380 TWh (por. rys. 2.3) [1,14]. Z analizy przedstawionych danych wynika, że wobec zużycia energii elektrycznej w roku 2008, które wyniosło 155 TWh [1, 11], planowany przyrost zapotrzebowania na ten rodzaj energii do roku 2030 wyniesie 42%, natomiast w roku 2050 będzie to aż 145%. 400. 380 360. Energia elektryczna [TWh]. 350 300. 300 260 240. 250 210. Rok 2008 155 TWh 190. 200 150. 150. 145 150. 160. 170. 130 110. 90. 100. 100. 50. 50 10. 15. 25. 30. 0. Czas pracy linii [lata]. Rys. 2.3. Prognoza zapotrzebowania na energię elektryczną do 2050 roku [1] Z przedstawionej analizy wynika, że na przestrzeni najbliższych 40-50 lat, a więc w zakładanym czasie eksploatacji obecnie budowanych linii przesyłowych, powstanie potrzeba dwu- a nawet trzykrotnego podwyższenia zdolności przesyłowych Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. Taka sytuacja wiąże się z koniecznością modernizacji, jak również budowy nowych elementów systemu przesyłowego. Najbardziej nowoczesnym rozwiązaniem w tym względzie są przewody typu HTLS umożliwiające znaczne podniesienie obciążalności prądowej linii bez istotnej ingerencji w zastaną infrastrukturę. Tematykę przewodów typu HTLS szerzej opisano w podrozdziale 2.2.4. R.2/13.

(14) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. 2.1.2 Bezpieczeństwo systemu przesyłowego Odrębnym zagadnieniem związanym z pracą KSE jest bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej, które w przypadku systemu przesyłowego definiuje się pojęciem bezpieczeństwa pracy sieci elektroenergetycznej [2]. Określa ono: „nieprzerwalną pracę sieci elektroenergetycznej, a także spełnianie wymagań w zakresie parametrów jakościowych energii elektrycznej i standardów jakościowych obsługi odbiorców, w tym dopuszczalnych przerw w dostawach energii [2]. Utrata ciągłości pracy całego lub części systemu elektroenergetycznego stanowi najpoważniejsze źródło zakłóceń funkcjonowania infrastruktury technicznej, z trudnymi do przewidzenia skutkami społeczno-gospodarczymi. Awarię polegającą na utracie napięcia na znacznym obszarze systemu przyjęło się nazywać awarią systemową typu blackout. Powodem wystąpienia tego typu awarii jest nałożenia się losowych zdarzeń polegających na wyłączeniu z sieci kilku jej elementów, a więc przekroczenie kryterium „N-1”. W takiej sytuacji dochodzi do osiągnięcia krytycznych wartości parametrów technicznych pracy sieci i przeciążenia pozostałej części systemu. Prowadzi to do lawinowych, awaryjnych wyłączeń kolejnych segmentów systemu przesyłowego i zaniku napięcia na całym obszarze dotkniętym awarią. Ponowne przywrócenie sprawności systemu wymaga znacznego czasu trwającego niejednokrotnie od kilku do kilkunastu dni. Powody blackoutów mogą być w każdym przypadku inne, ale w dużym stopniu wynikają one z awarii sieci przesyłowych spowodowanych wichurami, sadzią, zwarciami itp. Ich wysokie ryzyko wynika ponadto z faktu, że wiele spośród eksploatowanych linii pracuje na pełnej wydajności. W ostatnich latach obserwuje się na świecie rosnącą ilość awarii typu blackout (por. rys. 2.4) [15]. Zagrożenie blackoutem w Polsce dotyczy dużych aglomeracji, a w szczególności Warszawy [1, 15, 16]. 20 18 16. Ilość awarii. 14 12 10 8. 6 4 2 0 1978 1986 1987 1988 1989 1997 1995 1996 1998 1999 2000 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010. Rok. Rys. 2.4. Ilość awarii typu blackout na świecie wg [15]. R.2/14.

(15) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. 2.2 Przewody napowietrzne w polskich liniach elektroenergetycznych 2.2.1 Przewody tradycyjne Powszechnie stosowane w krajowej elektroenergetyce przewody stalowo-aluminiowe typu AFL (z ang. ACSR) to przewody bimetalowe, składające się z rdzenia nośnego z wysokowytrzymałych, ocynkowanych drutów stalowych i warstwy przewodzącej, wykonanej z umocnionych odkształceniowo drutów z aluminium [4, 17-20]. Różnorodność wymagań stawianych tego typu przewodom wymusiła konieczność opracowania typoszeregu konstrukcji zróżnicowanych zarówno pod względem średnic, jak i stosunku przekroju stali do aluminium. Czynniki wpływające na dobór rodzaju konstrukcji przewodu można podzielić na dwie główne grupy, a mianowicie elektryczne i mechaniczne. Szczegółowe zestawienie produkowanych w Polsce przewodów typu AFL można znaleźć w normach przedmiotowych [21-22] oraz materiałach informacyjnych takich firm jak Tele-Fonika Kable, Fabryka Przewodów Elektrycznych FPE Będzin oraz Nowoczesne Produkty Aluminiowe NPA Skawina [23-25]. Spośród wielu rozwiązań konstrukcyjnych najbardziej popularnymi pozostają przewody typu AFL-6 240, AFL-8 350 oraz AFL-8 525. Ilustrację oraz szczegółowe dane na temat wymienionych konstrukcji zamieszczono w rozdziale 8 pracy poświęconemu opracowaniu nowych konstrukcji przewodów HTLS. Pomimo powszechnego wykorzystania tej grupy przewodów, charakteryzują się one niewystarczającymi jak na dzisiejsze potrzeby własnościami użytkowymi, do których należą m.in. wysoka masa oraz temperatura robocza wynosząca 80oC. Przekłada się to na poważne ograniczenia względem obciążalności prądowej linii [26, 27]. Zbliżoną konstrukcją do AFL są przewody segmentowe oznaczane skrótem AFLs lub ACSR/TW (trapezoidal wire) wykonane z drutów profilowych, co pozwala na zwiększenie stopnia wypełnienia przekroju i podwyższenie obciążalności prądowej linii przy zachowaniu średnicy zewnętrznej przewodu [18]. Opisane działania prowadzą do wzrostu obciążalności prądowej na poziomie nie przekraczającym 20%, co nie wystarcza do przesyłu perspektywicznego zapotrzebowania na energię elektryczną. Z tego też względu współczesne prace badawcze ukierunkowane są na opracowywanie nowych stopów aluminium charakteryzujących się wysoką odpornością cieplną. 2.2.2 Przewody stopowe jednorodne Przewody jednorodne wykonane ze stopów AlMgSi oddalają główne wady konstrukcji stalowo-aluminiowych, a wyeliminowanie nieprzewodzącego rdzenia pozwala na pewne zwiększenia obciążalności prądowej. Pierwsze przewody tego typu pojawiły się we Francji już na początku XX wieku i szybko zyskały popularność w wielu krajach (m.in. Wielka Brytania, Szwecja, Australia) wypierając stopniowo przewody stalowo-aluminiowe. W krajowej elektroenergetyce przewody te są wykorzystywane do modernizacji linii 220 kV w miejsce konstrukcji AFL-8 350, której odpowiednikiem jest przewód AAL 400 [28-32]. Współcześnie zostało sklasyfikowanych siedem typów drutów ze stopu AlMgSi o nazwach. R.2/15.

(16) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. AL2 – AL8 opisanych szczegółowo w normie [33]. Skład chemiczny stopów AlMgSi w gat. 6101 i 6201 zamieszczono w tabeli 2.2, zaś wybrane własności wytrzymałościowe i elektryczne drutów w tabeli 2.3. Tabela 2.2. Skład chemiczny stopów EN AW 6101 i 6201 wg [34] Maksymalne zawartości pierwiastków [%wag.] Stop Uwagi Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn 0,3-0,7 0,50 0,10 0,03 0,35-0,8 0,03 0,10 0,06B 6101 0,50 0,10 0,03 0,6-0,9 0,03 0,10 0,06B 6201 0,50-0,9. Inne. Suma innych. 0,03 0,03. 0,10 0,10. Tabela 2.3. Własności stopów AlMgSi wg [33] Średnica [mm] Rm,min Typ od do, włącznie drutu [MPa] 1,50 3,50 325 AL2 3,50 5,00 315 AL3 1,50 5,00 295 1,50 3,50 325 AL4 3,50 5,00 315 AL5 1,50 5,00 295 1,50 3,50 314 AL6 3,50 5,00 304 1,50 3,00 290-300 AL7 3,00 3,50 275 3,50 5,00 255-265 1,50 3,00 290-300 AL8 3,00 3,50 275 3,50 5,00 245-265. ρmax [nΩm] 32,84 32,84 32,53 32,9 32,9 32,2 31,5 31,5 30,5 30,5 30,5 30,5 30,5 30,5. A250,min [%] 3,0 3,0 3,5 3,0 3,0 3,5 3,5 3,5 3,0 3,0 3,0 1,6-1,8 2,0 2,4-3,0. Analizując dane zawarte w powyższych tabelach zauważamy, że niewielkie różnice w zawartości krzemu i magnezu pozwalają na uzyskanie istotnych różnic we własnościach drutów, zarówno mechanicznych, jak i elektrycznych. Wynika to z faktu, że stopy AlMgSi należą do grupy obrabianych cieplnie, co pozwala na kształtowanie własności w szerokim zakresie ich zmienności na drodze odpowiedniego doboru parametrów technologii ich wytwarzania. Istnieje szereg innych stopów aluminium stosowanych na cele elektryczne wykorzystujących dodatek magnezu, m.in. stop w gat. 5005 [35-36], stop Al59 z dodatkiem magnezu i miedzi, stopy serii 8xxx (głównie z żelazem), stopy AlFe z dodatkiem kobaltu (stop Super T) i niklu (Nico) [37-40]. Wybrane własności materiałów z wymienionych stopów zamieszczono w tabeli 2.4 [41]. Tabela 2.4. Skład chemiczny oraz wybrane własności przewodowych stopów aluminium [41] γ R0,2 Rm A250 Nazwa stopu [% [MPa] [MPa] [%] IACS] EN AW 1370 (99,7%Al) 28 86 23 63,4 5005 – stan H19 (Al-0,8Mg) 193 200 2 53,5 EN AW 6201 – stan T8 303 317 3 53,3. R.2/16.

(17) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. (Al-0,75Mg-0,7Si) Triple E (Al-0,55Fe) Super T (Al-0,5Fe-0,5Co) 8076 (Al-0,75Fe-0,15Mg) Stabiloy (Al-0,6Fe-0,22Cu) Nico (Al-0,5Ni-0,3Co) 8130 (Al-0,6Fe-0,08Cu). 68 109 61 54 68 61. 95 129 109 114 109 102. 33 235 22 20 26 31. 62,5 61,1 61,5 61,8 61,3 62,1. W Polsce przewody ze stopów AlMgSi znalazły zastosowanie w liniach wysokiego napięcia Kopanina/Bujaków-Liskovec i Janów-Rogowiec oraz cieszą się dużym zainteresowaniem w sieciach średnich napięć jako przewody fińskiego systemu PAS [4]. Pomimo szeregu zalet przewody te nie znajdują zastosowania w wysokoobciążalnych prądowo liniach z uwagi na niewystarczającą odporność cieplną, która jest niewiele wyższa od odporności cieplnej aluminium. Wymusiło to badania nad nową generacją stopów o podwyższonej temperaturze pracy, które przyjęto potocznie nazywać odpornymi cieplnie stopami aluminium (heat-resistant aluminium alloys).. 2.2.3 Przewody z odpornych cieplnie stopów aluminium Zwiększenie przepustowości systemu przesyłowego jest możliwe przez wzrost napięcia linii lub obciążalności prądowej przewodów fazowych z wykorzystaniem systemów DTCR (dynamiczna obciążalność prądowa) [42-45]. Druga z wymienionych metod skutkuje, zgodnie z zasadą bilansu cieplnego [46-47], wzrostem temperatury przewodu, a więc koniecznością zastosowania materiałów o wyższej odporności cieplnej. Temperatura robocza drutów stalowych cynkowanych wynosi 150oC, zaś dla wyższych temperatur stosuje się druty z powłoką aluminiową. W odniesieniu zaś do warstwy przewodzącej ograniczeniem są druty aluminiowe, których dopuszczalna temperatura pracy wynosi 80oC. Za miarę odporności cieplnej przyjmuje się taką temperaturę ciągłej pracy przewodu na przestrzeni zakładanego czasu jego eksploatacji, która nie spowoduje przekroczenia dopuszczalnego spadku wytrzymałości na rozciąganie. Wartość tę przyjmuje się na poziomie około 8% wytrzymałości przewodu co, w zależności od jego konstrukcji przekłada się na około 10% początkowej wytrzymałości na rozciąganie drutu [48]. Spadek wytrzymałości na rozciąganie umocnionego odkształceniowo materiału spowodowany jest aktywowanymi cieplnie procesami zdrowienia i rekrystalizacji [49-52]. Do głównych dodatków stopowych do aluminium podnoszących temperaturę rekrystalizacji należą Ni, Fe, Ce, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Mo, In, Y oraz Hf [53, 54]. Tworzą one roztwory stałe o niskiej rozpuszczalności w stanie stałym. Przyjmuje się, że z uwagi na niekorzystny wpływ na przewodność elektryczną ilość dodatku stopowego nie powinna przekraczać 0,5% wag. Rozpuszczalność wybranych pierwiastków w aluminium zamieszczono w tabeli 2.5, zaś szczegółowe rozważania na temat projektowania stopów przewodowych przedstawiono w podrozdziale 2.3.. R.2/17.

(18) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Tabela 2.5. Charakterystyka dodatków stopowych do aluminium [53, 54] Rozpuszczalności graniczna Pierwiastek. Stężenie [% wag.]. Temperatura [oC]. Faza. Ni Fe Ce Sc Ti V Cr Mn Zr Mo Y In Hf. 0,05 0,04 0,05 0,3 0,28 0,4 0,8 1,8 0,28 0,25 0,17 0,15 1,2. 640 655 637 655 665 661 661 657 660,3 660,3 637 637 664. NiAl3 FeAl3 CeAl4 ScAl3 TiAl3 VAl10 CrAl7 MnAl6 ZrAl3 MoAl12 YAl3 In HfAl3. Faza XAl Ilość pierwiastka stopowego [% wag.]. Temp. topnienia [oC]. 41,5%Ni 36,5%Fe 56,5%Ce 35,7%Sc 37,2%Ti 15,8%V 21,6%Cr 25,3%Mn 53%Zr 22,6%Mo 52,4%Y – 68,8%Hf. 855 1147 1252 1283 1340 677 790 713 1577 707 1327 155 727. 2.2.3.1 Odporne cieplnie stopy AlZr Z przedstawionych dodatków stopowych tylko wybrane z nich są przedmiotem zainteresowania ośrodków badawczych zajmujących się odpornymi cieplnie przewodowymi stopami aluminium. W szczególności są Ni, Mn, Fe, Ce, Sc, Hf oraz Zr. Cyrkon stał się w latach 60 XX w. przedmiotem szerokich badań prowadzonych w Japonii [55-63]. Wybór tego rodzaju stopu podyktowany jest głównie względami ekonomicznymi. Wyniki analizy cenowej przeprowadzonej dla stopu aluminium o zawartości 0,2 oraz 0,5 %wag. pierwiastka stopowego przedstawiono na rys. 2.5 [64]. 16. 15. Krotność ceny w stosunku do Al. 14. 0,20%. 0,50%. 12. 10. 8. 6,7 6. 4,2 4. 2,4 2. 1,2. 1,3. 1,4. 1,8. 0. AlZr. AlY. Skład stopu. AlIn. AlSc. Rys. 2.5. Krotność przyrostu ceny walcówki z poszczególnych rodzajów stopów aluminium odniesiona do walcówki aluminiowej [64]. R.2/18.

(19) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Szczegółowa analiza literatury z zakresu odpornych cieplnie stopów aluminium obejmuje listę ponad 120 patentów za lata 1969 - 2010. Na potrzeby dysertacji wybrano przykłady 34 patentów ilustrujących skład chemiczny stopów (por. tabl. 2.6) [65-98]. Jak łatwo zauważyć, odporne cieplnie stopy aluminium to głównie aluminium w gatunku 1370 z dodatkiem Zr w ilości (0,01 - 1) %wag. Analizując technologie ich produkcji należy stwierdzić, że w większości przypadków dotyczą one linii ciągłego odlewania i walcowania, a następnie obróbki cieplnej walcówki i jej odkształcenia, a niekiedy również kolejnej obróbki cieplnej drutów. Na podstawie wyników badań przeprowadzonych przez naukowców japońskich zostało opracowanych sześć rodzajów odpornych cieplnie drutów ze stopów AlZr o dopuszczalnej temperaturze pracy na poziomie od 150 do 230oC. Wybrane własności drutów o średnicy 4,5 mm przedstawiono w tabeli 2.7 [99]. Tabela 2.6. Własności odpornych cieplnie drutów ze stopów AlZr [99] Rodzaj Rm A200 ρ materiału [MPa] [%] [nΩm] Al 160 2 28,26 58 TAl 160 2 29,73 60 TAl 160 2 28,74 AUTAl 160 2 30,25 XTAl 160 2 29,73 KTAl 225 2 31,35 ZTAl 160 2 28,74. Trobocza [oC] 90 150 150 200 230 150 210. R.2/19.

(20) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Tabela 2.7. Skład chemiczny wybranych odpornych cieplnie stopów AlZr [65-98] Lp.. Rok. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34. 1980 1980 1981 1981 1981 1981 1982 1982 1983 1984 1985 1986 1986 1986 1988 1996 1997 1998 1999 1999 1999 2000 2001 2002 2004 2005 2006 2006 2006 2007 2007 2007 2008 2009. Numer patentu. Zr. US4182640. 0,01-0,5. 0,05-1,0. JP55138053. 0,15-0,28. 0,07-0,20. JP56136959. 0,03-0,10. 0,25-0,95. JP56169757. 0,04-0,13. 0,07-0,13. 0,08. JP56156742. 0,15-0,40. 0,05-0,20. 0,10-0,40. JP56156741. 0,15-0,40. 0,05-0,20. 0,10-0,40. JP57110647. 0,02-0,15. 0,9-15. JP57110645. 0,22-0,35. JP58034165. 0,01-0,80. 0,07-0,80. JP59006361. 0,05-0,2. 0,1-0,8. JP60029456. 0,1-0,8. 0,07-0,8. 0,05-0,8. 0,005-0,5. JP61106753. 0,1-0,8. 0,07-0,8. 0,05-0,3. 0,05-0,5. JP61023752. 0,15-0,6. 0,05-0,4. 0,04-0,3. 0,04-0,3. JP61238945. 0,15-0,8. 0,05-0,6. JP63186858. 0,15-0,5. JP8132129. 0,1-0,5. Sc. Fe. Si. Ti. Cu. Zawartość pierwiastków stopowych [% wag.] Ni Mg Cr Ag Mn V. 0,01-0,5. 0,1. 0,005-0,08. 0,003-0,05. Hf. Zn. Ce. Y. In. 0,0005-0,05. 0,26-0,40. Mo 0,0005-0,3. 0,001-0,10. 0,001-0,08 0,005-0,50 0,005-0,50. 0,06-0,15 0,03-3,0 0,03-0,4. 0,05-0,3 0,01-0,3. 0,01-0,2. 0,05-0,5 0,01-0,07. JP9213131. 0,28-0,80. JP10317084. 0,3-0,4. 0,16-0,30. JP11350093. 0,25-0,55. 0,1-0,3. 0,03-0,3. 0,01-0,025. JP11092896. 0,29-1,0. 0,0 8-0,8. 0,03-0,4. 0,004-0,1. JP11092897. 0,29-1,0. 0,08-0,8. 0,03-0,4. 0,001-0,1. DE69701817. 0,28-0,80. JP2001254132. 0,20-0,50. 0,005-0,20. JP2002302727. 0,10-0,50. 0,05-0,50. JP2004027294. 0,1-0,5. <=0,15. JP2005336549. 0,01-0,1. 0,8-2,0. JP2006004757. 0,01-0,05. 0,05. 0,02-0,06. CN1785580. 0,15-0,35. 0-0,15. 0-0,1. JP2006299305. 0,20-0,40. 0,10 -0,40. 0,16-0,30 0,08-0,3. 0,03 -0,2. 0,10-0,40. 0,10-0,80. 0,10-0,40. 0,10-0,80. 0,005-0,05. <=0,01 0,001-0,02. 0,15-0,30. 1,2-1,6 0,05-0,3. 5,5-6,5. 0,2-0,5. 0,2-0,6. 0,05-0,20. 0,015. 0,015. 0,015. 0,01. 0,01. 0,01. 0,005-0,02. CN1978686. 0,03-0,5. 0,16. 0,06. KR20070078880. 0,2-0,4. 0,05-0,2. 0,05-0,2. CN1924053. 0,3-0,6. 0,10 -0,25. 0,08. EP1902150. 0,5. CN101435043. 0,03-0,05. 0,05-0,30. 0,015. 0,01. 0,01 2,25-3,0. 0,1-0,15. 0,01-0,4 0,005-0,5. 0,04-0,06. 1,4-1,85. 0,5 0,01-0,05. 0,5. 8,5-10,5 0,1-0,2. R.2/20.

(21) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. 2.2.4 Przewody HTLS. Idea pracy. Własności i zastosowania Odporne cieplnie przewodowe stopy aluminium umożliwiły opracowanie konstrukcji nowej generacji wysokotemperaturowych i niskozwisowych przewodów napowietrznych typu HTLS. Charakter wysokotemperaturowej pracy (HT) gwarantują odporne cieplnie stopy aluminium, pozwalające na pracę przewodów bez ryzyka degradacji własności wytrzymałościowych w podwyższonych temperaturach. Jednakże samo wykorzystanie odpornych cieplnie stopów aluminium nie wystarcza do budowy przewodów HTLS. Otóż z uwagi na wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej aluminium (23 x 10-6 K-1), przewód jednorodny z odpornego cieplnie stopu aluminium będzie generował duże przyrosty zwisu z tytułu członu α∆T występującego w równaniu stanu wiszącego przewodu. Wynika to z prostego faktu, że współczynnik rozszerzalności cieplnej metali jest powiązany z ich temperaturą topnienia poprzez relację α ≈ 0,02/Ttop. (T w stopniach Kelvina) [100, 101] i chociaż współczynnik cyrkonu wynosi ok. 5x10-6 K-1, przewodowe stopy AlZr zachowują współczynnik właściwy dla aluminium z uwagi na znikomą zawartością dodatku cyrkonu w stopie. Na rys. 2.6 przedstawiono wartości współczynników rozszerzalności liniowej metali uszeregowane wraz z rosnącą wartością temperatury topnienia wyrażoną w skali bezwzględnej, z analizy których wynika współczynnik regulujący relację pomiędzy rozszerzalnością cieplną metalu, a jego temperaturą topnienia.. Współczynnik rozszeżalności cieplnej α ·10-6 [1/K]. 45 40. Zn. 35. 30 Mg. 25 20. Al Ag Cu Ni. 15. Fe. Au 10 Ti. Zr. 5 0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200. Temperatura topnienia [K]. Rys. 2.6. Porównanie współczynników rozszerzalności liniowej wybranych pierwiastków i ich temperatury topnienia Z tego względu w przewodach HTLS konieczne jest wprowadzenie niskorozszerzalnego cieplnie wysokowytrzymałego rdzenia nośnego, który tworząc wspólnie z drutami ze stopu aluminium konstrukcję zwartą, zapewni obniżenie współczynnika rozszerzalności cieplnej przewodu jako całości. Tak, więc przewody HTLS muszą być przewodami bimateriałowymi, w których po przekroczeniu pewnej charakterystycznej. R.2/21.

(22) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. temperatury cały naciąg przewodu przenosi niskorozszerzalny cieplnie rdzeń nośny. Już teraz na podstawie wstępnej analizy problemu i wiedzy literaturowej o przewodach HTLS można stwierdzić, że zależność zwis-temperatura przewodu charakteryzować się będzie zmianą kąta nachylenia w kierunku zmniejszenia intensywności przyrostu zwisu. Ten charakter pracy przewodów HTLS jest przedmiotem rozważań analitycznych rozdziału czwartego dysertacji i stanowi główny człon postawionej tezy. Zatem poprzez wykorzystanie niskorozszerzalnych cieplnie rdzeni nośnych przewód staje się niskozwisowy (LS) o dwuzakresowym charakterze pracy. Pierwszy zakres dotyczy pracy przewodu jako konstrukcji bimateriałowej, w której jej obydwie części przenoszą obciążenie mechaniczne; w drugim zaś cały naciąg przenosi rdzeń nośny, a aluminium przyjmuje charakter elektrycznie czynnej sadzi. Z punktu widzenia przyrostu zwisu najbardziej korzystne byłoby, aby temperatura załamania charakterystyki zwis-temperatura przewodu HTLS była jak najniższa. Z tego też względu zostały opracowane specjalne konstrukcje przewodów o temperaturze załamania równej temperaturze montażu przewodu [4, 5, 102-104]. W takich konstrukcjach przewód pracuje na niskorozszerzalnym rdzeniu od chwili montażu. Przykład charakterystyki zwistemperatura dla przewodów HTLS przedstawiono na rys. 2.7, na którym charakterystykę pracy przewodu z punktem załamania występującym w zakresie wyższych temperatur zaznaczono linią czarną, natomiast dla przewodu o temperaturze załamania równej temperaturze montażu linią czerwoną. 10 Temp. montażu. Temp. "knee point". 9. Zwis [m]. 8. 7. 6. 5. 4 -30. -10. 10. 30. 50. 70. 90. 110. 130. 150. 170. 190. 210. Temperatura [oC]. Rys. 2.7. Charakterystyka zwis-temperatura przewodu HTLS Na rdzenie przewodów HTLS stosowane są następujące materiały: stal aluminiowana, inwar aluminiowany ACI (aluminium clad invar) , kompozyty węglowe (CF – carbon fiber), kompozyty szklano-węglowe (G/CF - glass/carbon fiber) oraz kompozyty metaliczne na osnowie aluminium (AMC - aluminium matrix composite). Dobór materiałów, w tym zwłaszcza kompozytów, pozwala na znaczne obniżenie współczynnika α przewodu.. R.2/22.

(23) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Zestawienie materiałów na rdzenie przewodów HTLS oraz ich własności zamieszczono w tabeli 2.8 [105-110]. Tabela 2.8. Własności materiałów na rdzenie przewodów HTLS [105-110] Własność. Jednostka. Rodzaj powłoki antykorozyjnej. – g/cm3. Masa właściwa 20 C Współczynnik rozszerzalności 10-6 K-1 liniowej α Moduł E GPa o Rezystywność ρ w 20 C nΩm % Przewodność elektryczna γ w o 20 C IACS Wytrzymałość na rozciąganie MPa Rm, R1%* Wydłużenie przy zerwaniu % A250* o. Stal. Kompozyty. ST1A. 20SA. Inwar ACI. CF. G/CF. AMC. Zn 7,78. Al 6,59. Al 7,10. – 1,65. – 1,97. – 3,29. 11,5. 13. 3,7. 1,0. 1,61. 6,3. 207 192. 162 84,9. 152 128. 137 –. 117 –. 220 71,84. 9. 20,3. 14. –. –. 24. 11001170*. 10001200*. 10301080. 1533. 2160. 1380. 3*. –. 1-1,5*. –. –. 0,7. Duża liczba stosowanych rdzeni nośnych oraz możliwych kombinacji sprawia, że rodzina przewodów HTLS jest bardzo obszerna i obejmuje kilkanaście rodzajów konstrukcji wraz z ich różnorodnymi wariantami. Szczegółowe zestawienie rodzajów przewodów bimateriałowych z uwzględnieniem konstrukcji HTLS przedstawiono na rys. 2.8, natomiast opis ich budowy oraz opis skrótów zamieszczono w tabeli 2.9.. Rys. 2.8. Przykłady asortymentu przewodów typu HTLS. R.2/23.

(24) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Tabela 2.9. Charakterystyka przewodów typu HTLS Oznaczenie Rozwinięcie skrótu ACSS. Aluminum Conductor Steel Supported. ACCC. Aluminum Conductor Composite Core. GTACSR. Gap Thermal Resistant Aluminum Conductor Steel Reinforced. G(Z)TACSR. Gap type (Super) Thermal Resistant Aluminum Conductor Steel Reinforced. TACSR (AT1). Thermal Resistant Aluminum Conductor Steel Reinforced. KTACSR (AT2). High Strength Thermal Resistant Aluminum Alloy Steel Reinforced. ZTACIR (AT3). Super Thermal Resistant Aluminum Conductor Invar Reinforced. ACCR (AT3). Aluminum Conductor Composite Reinforced. Opis. Są to konstrukcje wykorzystujące aluminium w stanie miękkim oraz rdzenie z wysokowytrzymałej stali. Przewody te wykorzystują zarówno oplot z aluminium z drutów okrągłych, jak i profilowych (TW). Posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze montażu [4, 111-114]. Są to konstrukcje wykorzystujące aluminium w stanie miękkim oraz pojedynczy rdzeń z kompozytu włókna szklane/włókna węglowe/żywica epoksydowa. Przewody te wykorzystują oplot z aluminium z drutów profilowych(TW). Posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze montażu [4, 110, 111, 115]. Są to konstrukcje wykorzystujące odporne cieplnie stopy aluminium w gatunku AT1 oraz rdzenie z wysokowytrzymałej stali. Przewody te wykorzystują oplot z aluminium z drutów profilowych (TW) lub profilowych i okrągłych. Posiadają specjalną konstrukcję, która charakteryzuje się występowaniem szczeliny pomiędzy rdzeniem, a warstwą drutów aluminiowych segmentowych. Przewody te posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze montażu [102-104, 111]. Są to konstrukcje wykorzystujące odporne cieplnie stopy aluminium w gatunku AT3 oraz rdzenie z wysokowytrzymałej stali. Przewody te wykorzystują oplot z aluminium z drutów profilowych (TW) lub profilowych i okrągłych. Posiadają specjalną konstrukcję, która charakteryzuje się występowaniem szczeliny pomiędzy rdzeniem, a warstwą drutów aluminiowych segmentowych. Przewody te posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze montażu [102-104, 111]. Są to konstrukcje wykorzystujące odporne cieplnie stopy aluminium w gatunku AT1 oraz rdzenie z wysokowytrzymałej stali. Przewody te wykorzystują oplot z aluminium z drutów profilowych (TW) lub okrągłych. Posiadają konstrukcję taką jak przewody typu ACSR. Przewody te posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze powyżej temperatury montażu [4, 18, 111, 116, 117]. Są to konstrukcje wykorzystujące odporne cieplnie stopy aluminium w gatunku AT2 oraz rdzenie z wysokowytrzymałej stali. Przewody te wykorzystują oplot z aluminium z drutów profilowych (TW) lub okrągłych. Posiadają konstrukcję taką jak przewody typu ACSR. Przewody te posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze powyżej temperatury montażu [4, 18, 111]. Są to konstrukcje wykorzystujące odporne cieplnie stopy aluminium w gatunku AT3 oraz rdzenie z inwaru ACI. Przewody te wykorzystują oplot z aluminium z drutów profilowych (TW) lub okrągłych. Posiadają konstrukcję taką jak przewody typu ACSR. Przewody te posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze powyżej temperatury montażu [4, 18, 111, 117, 118]. Są to konstrukcje wykorzystujące odporne cieplnie stopy aluminium w gatunku AT3 oraz rdzenie z kompozytu AMC (włókna z włókiem Al2O3 w osnowie z aluminium). Przewody te wykorzystują oplot z aluminium z drutów profilowych (TW) lub okrągłych. Posiadają konstrukcję taką jak przewody typu ACSR. Przewody te posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze powyżej temperatury montażu [4, 18, 108, 111].. R.2/24.

(25) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. TACFR (AT1). Thermal Resistant Aluminum Conductor Fiber Reinforced. Są to konstrukcje wykorzystujące odporne cieplnie stopy aluminium w gatunku AT1 oraz rdzenie z włókien węglowych. Przewody te wykorzystują oplot z aluminium z drutów okrągłych. Przewody te posiadają konstrukcję taką jak przewody typu ACSR. Posiadają punkt załamania charakterystyki w temperaturze powyżej temperatury montażu [4, 109].. Pozostałe oznaczenia: ACSR – Aluminium Conductor Steel Reinforced ACSR/SD - Aluminium Conductor Steel Reinforced/Self Damping CRAC – Composite Reinforced Aluminum Conductor. Rozwój materiałów i konstrukcji przewodów HTLS prowadzony w Japonii (TACSR, ZTACIR) oraz USA (ACSS) spowodował, że przewody te zaczęły być wykorzystywane również w Europie. Dane CIGRE (International Council on Large Electric Systems) z 2002 roku, dotyczące rozpowszechnienia przewodów HTLS na świecie, wskazują (por. Tabela 2.10), że ich łączna ilość wynosiła około 50 000 km, a planowane było kolejne około 7000 km. W Europie ilość linii z przewodami HTLS wynosiła wówczas około 1100 km [111]. Obecne wykorzystanie przewodów typu HTLS w krajach europejskich znacznie wzrosło, lecz trudno jest jednoznacznie oszacować ich ilość. Głównym powodem wzrostu tego typu instalacji jest duże zainteresowanie operatorów systemów przesyłowych i dystrybucyjnych poszczególnych krajów. Tabela 2.10. Wykorzystanie przewodów HTLS wg danych z 2002 roku [111] Kraj Austria Arabia Saudyjska Chorwacja Chiny (Hong Kong) Chiny Czechy Hiszpania Japonia Kanada Niemcy Nowa Zelandia USA Wielka Brytania. Długość linii [km] zainstalowanych planowanych – 149 156 102 118 30 85 – – 80 40 – 550 38 889 4 287 10 – 900 900 – 100 10 000 360 8 300. Jak wynika z analiz przedstawionych na rys. 2.2 i 2.3, Krajowy System Elektroenergetyczny stoi u progu budowy nowych linii i modernizacji linii istniejących. Szczegółowe analizy prowadzone pod kątem wykorzystania przewodów typu HTLS są przygotowywane przez biura projektowe (EP Kraków, EP Poznań) oraz przez Politechnikę Śląską i Akademię Górniczo-Hutniczą [9, 27, 119-124]. Prace te umożliwiły dobór i wykorzystanie przewodów HTLS przy modernizacji kilku linii o napięciu 110 kV tj. Bieżanów-Niepołomice, Szczecinek-Marcelini dwóch krótszych linii w okolicach Olsztyna i Słupska oraz jednego toru linii o napięciu 2x220 kV Kozienice-Mory o długości 100 km.. R.2/25.

(26) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Widok linii 220 kV po modernizacji przedstawiono na rys. 2.9, na którym zmodernizowany tor (po prawej stronie) charakteryzuje się widoczną różnicą w poziomie zwisów.. Rys. 2.9. Widok zmodernizowanej termicznie linii 220 kV Z uwagi na temat oraz cel niniejszej pracy główną uwagę skoncentrowano na bimateriałowych przewodach wykorzystujących stopy AlZr opartych na koncepcji pracy przewodów AFL. Wzrost zainteresowania przewodami HTLS przełożył się na zapotrzebowanie na odporne cieplnie druty ze stopów aluminium-cyrkon. Z tego względu wprowadzono i ujednolicono wymagania stawiane drutom ze stopów AlZr. Standaryzacja w tej dziedzinie pojawiła się w USA w roku 2005, a w Europie dopiero w roku 2007. Amerykańska norma B 941-05 [125] pt: „Specyfication for Heat Resistant AluminumZirconium Alloy Wire fot Electrical Purposes” obejmuje jeden typ drutu z odpornego cieplnie stopu aluminium. Natomiast europejska norma IEC 62004 z roku 2007 [126] pt: „Thermalresistant aluminium alloy wire for overhead line conductor” definiuje cztery rodzaje drutów oznaczonych jako AT1, AT2 AT3 oraz AT4. Szczegółowe zestawienie ich własności przedstawiono w tabeli 2.11. Tabela 2.11. Własności drutów ze stopu AlZr przeznaczonych do budowy przewodów typu HTLS wg [125-126]. AT1. AT2. AT3. AT4. ASTM B 941-05 Al-Zr. 159-169. 225-248. 159-169 70 2,703. 159-169. 159-165. IEC 62004. Parametr \ Materiał Wytrzymałość na rozciąganie, [MPa] Moduł elastyczności, [GPa] Masa właściwa, [g/cm3] Współczynnik wydłużenia cieplnego, 10-6 [1/oC] Rezystywność, [nΩm] Współczynnik zmiany rezystancji, 10-6 [1/oC] Dopuszczalna temperatura pracy, [oC]. 23 28,735. 31,347. 28,735. 29,726. 28,735. 0,004. 0,0036. 0,004. 0,0038. 0,0036. 150. 150. 210. 230. 210. R.2/26.

(27) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Materiał typu AT1 jest przeznaczony do pracy w temperaturach do 150oC. Jego własności mechaniczne są porównywalne do własności drutów z aluminium w gatunku EN AW 1370 wg normy IEC 60889 [127], natomiast rezystywność jest wyższa o około 0,5 nΩm. Druty typu AT2 również posiadają temperaturę dopuszczalną 150oC, jednakże ich własności mechaniczne są wyższe i sięgają około 240 MPa. Rezystancja tego typu drutów jest stosunkowo wysoka i wynosi 31,347 nΩm. Bardzo interesującym zestawem własności charakteryzują się druty w gatunku AT3, które posiadają taki sam zestaw własności jak druty AT1, z tą jednak różnicą, że ich dopuszczalna temperatura pracy sięga 210oC. Odpowiednikiem AT3 są druty przedstawione w specyfikacji ASTM [125]. Jeszcze innym zestawem własności cechują się druty typu AT4, których dopuszczalna temperatura pracy wynosi 230oC, a własności elektryczne przy niezmienionym poziomie wytrzymałości na rozciąganie wynoszą 29,726 nΩm. Różnica pomiędzy rezystywnością danego gatunku odpornego cieplnie stopu aluminium, a aluminium serii EN AW 1370 stanowi w pierwszym przybliżeniu informację o dopuszczalnej ilości dodatku cyrkonu do aluminium. Szczegółowe rozważania na ten temat zostały przedstawione w podrozdziale 2.3 oraz w rozdziale siódmym dysertacji, w którym zamieszczono koncepcję i analizę tworzenia kompozycji chemicznej stopów. Podstawą do oceny spełniania kryteriów odporności cieplnej drutów jest zaproponowany w normie IEC 62004 test wygrzewania w czasie jednej i czterystu godzin w odpowiednich temperaturach. Parametry testu zamieszczono w tabeli 2.12. Na podstawie spełnienia określonych wymagań testu (max. spadek wytrzymałości na rozciąganie drutów 10% wartości początkowej) klasyfikuje się druty pod kątem dopuszczalnej temperatury roboczej materiału zgodnie z charakterystykami Arrheniusa przedstawionymi na rys. 2.10.. Tabela 2.12. Parametry testu cieplnego wg IEC [126] Czas, [h] Temperatura, [oC] AT1 Wygrzewania 230 1h +5 Tolerancja -3 Wygrzewania 180 400h +10 Tolerancja -6. AT2 230 +5 -3 180 +10 -6. AT3 280 +5 -3 240 +10 -6. AT4 400 +10 -6 310 +10 -6. R.2/27.

(28) Czas wygrzewania [h]. Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. 1000/T [1/K] Rys. 2.10. Sposób wyznaczania odporności cieplnej długoczasowej wg IEC [126] Badania nad opracowaniem odpornych cieplnie przewodowych stopów aluminiumcyrkon w ramach krajowego przemysłu kablowego (NPA Skawina) zostały podjęte w 2004 roku przez zespół naukowy WMN AGH pod kierownictwem prof. T. Knycha. W ramach projektu celowego pt: ”Żarowytrzymałe przewody elektroenergetyczne na bazie stopów aluminium” [64, 128] została opracowana kompozycja chemiczna odpornych cieplnie stopów AlZr, technologia wytwarzania walcówki przewodowej w linii Continuus-Properzi oraz technologia jej przetwórstwa na druty i przewody typu HTLS. Realizacja projektu celowego zbiegła się z publikacją normy przedmiotowej dotyczącej drutów AlZr, co umożliwiło opracowanie polskich odpowiedników poszczególnych rodzajów drutów typu od AT1 do AT4. Podjęcie tego tematu w Polsce umożliwiło w pierwszej kolejności opracowanie asortymentu przewodów HTLS typu TACSR, które zostały zaprezentowane na targach branżowych ENERGOTAB 2007 w Bielsku Białej uzyskując nagrodę Puchar Ministra Gospodarki.. R.2/28.

(29) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. 2.3 Projektowanie stopów przewodowych na bazie aluminium 2.3.1 Przewodność elektryczna aluminium i jego stopów Aluminium jest pierwiastkiem charakteryzującym się wysoką przewodnością elektryczną, zajmując pod tym względem czwarte miejsce po srebrze, miedzi i złocie [100]. Z uwagi na pozostałe własności (ciężar właściwy, wytrzymałość na rozciąganie) oraz ze względów ekonomicznych szerokie zastosowanie w elektrotechnice i elektroenergetyce znajdują głównie miedź i aluminium oraz ich przewodowe stopy. Pierwsze aplikacje przewodów napowietrznych były wykonywane z miedzi, jednakże rozwój metalurgii aluminium oraz jego własności fizyko-chemiczne doprowadziły niemalże do całkowitego wyeliminowania miedzi z elektroenergetyki napowietrznej [5, 44]. Własności elektryczne powszechnie wykorzystywanych drutów z aluminium kształtują się na poziomie od 53,5 do 63% IACS (International Annealed Copper Standard; w skali IACS: 100% = 58 MS/m), co przekłada się na rezystywność od 32,26 do 27,36 nΩm. Wyżarzony monokryształ aluminium o czystości 4N posiada rezystywność 24,28 nΩm (71 %IACS) w temperaturze 0oC [129]. Tak duże zróżnicowanie własności elektrycznych wynika z drgań cieplnych sieci (czynnik fononowy), czystości chemicznej aluminium (atomy domieszek i pierwiastków stopowych) oraz innych defektów struktury (dyslokacje, wakanse, granice ziarn, wydzielenia) [130] Wpływ temperatury na rezystywność aluminium przedstawiono na rys. 2.11 [53].. Rys. 2.11. Wpływ temperatury na rezystywność aluminium [53]. R.2/29.

(30) Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów AlZr. Z analizy powyższej charakterystyki wynika, że do temperatury topnienia rezystywność aluminium jest liniową funkcją temperatury wyrażonej w skali bezwzględnej o współczynniku proporcjonalności 0,00403 K-1, a w temperaturach poniżej 80 K posiada cechy nadprzewodnika. Wpływ czystości chemicznej aluminium na rezystywność przedstawiono na rys. 2.12. Jak można zauważyć, przewodność elektryczna aluminium o czystości 99,996 %wag. Al wynosi około 65,5 %IACS (26,3 nΩm) i zmniejsza się do poziomu 62,2 %IACS (27,67 nΩm) dla materiału o czystości 99,8 %Al, który jest powszechnie wykorzystywany jako wsad do produkcji aluminium przeznaczonego na cele elektryczne.. Rys. 2.12. Wpływ czystości chemicznej aluminium na własności elektryczne wg [62] Sumaryczny wpływ poszczególnych czynników na rezystywność materiału ujmuje reguła Matthiessena postaci [129-136] (2.1). w której ρT jest składową termiczną zależną od drgań cieplnych, natomiast ρo składową uzależnioną od rodzaju i ilości atomów pierwiastków obcych oraz defektów struktury krystalicznej, które działają jako centra rozproszenie elektronów. Stosunek ρT do ρo stanowi współczynnik oporu resztkowego. Wartości ilorazu ρT w temperaturze 293 K do ρo w temperaturze 4,2 K dla aluminium o różnej czystości zamieszczono w tabeli 2.13. Tabela 2.13. Wpływ temperatury i czystości aluminium na wartość rezystywności [129] Czystość aluminium [%]. ρT(293) / ρT(4,2). 99,965 99,98 99,99 99,996 99,9975 99,9982 99,9992 99,99997 99,99998. 200 300 650 780 2150 3150 6700 35700 45000. R.2/30.