Влияние улучшения технологии изготовления токопроводящей жилы на эксплуатационный характеристики кабельно-проводниковой продукции

АНОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы использования новой технологической схемы, которая позволяет обеспечить возможность улучшить и повысить надежность электроснабжения за счет создания условий для высокоэффективной передачи электрической энергии при минимальных потерях. Улучшение пропускной способности кабеля, являющегося основным элементом электроэнергетической системы, позволит повысить энергоэффективность электроснабжения конечного потребителя. Предлагаемое техническое решение по усовершенствованию способа волочения за счет уменьшения количества проходов по маршруту волочения позволил обеспечить хорошие технологические параметры для волочильной машины и эксплуатационные параметры для токоведущей части кабельной продукции.

ABSTRACT

The article discusses the use of new technological scheme, which makes it possible to improve and increase the reliability of power supply by creating conditions for highly efficient transmission of electrical energy with minimal losses. Improving the transmission capacity of the cable, which is the main element of the electric power system, will improve the energy efficiency of the power supply to the end user. The proposed technical solution for improving the drawing method by reducing the number of passes along the drawing route made it possible to provide good technological parameters for drawing machine and operational parameters for the conductive (live) part of cable products.

Ключевые слова: кабельно-проводниковая продукция, волочение, конструкция кабеля, технологический процесс, проволока, микрошлиф, микроструктура, маршрут волочения, дробность деформации, омическое сопротивления, волочильная машина, прямоточная волочильная машина.

Keywords: cabling and wiring products, drawing, cable design, technological process, wire, micro-section, microstructure, drawing route, deformation fractionality, ohmic resistance, drawing machine, straight-through drawing machine.

Процесс передачи и распределения электрической энергии ориентирован на современные технологии использующие новые поколения системы электроснабжения конечного потребителя, которые являются большими жизнеобеспечивающими инфраструктурными системами, сложными по составу, способных обеспечить: безопасность, надежность, качество электроэнергии и услуг, эффективность, экологическую и социальную приемлемость [1, с.84; 2].

Использование принципиально новых технических систем позволяет обеспечить возможность надежного и безопасного электроснабжения, а технологические достижения промышленного характера создают условия для высокоэффективной передачи электрической энергии при минимальных потерях [3, 4].

В настоящее время электроэнергетика ориентируется на применение новых видов кабельно-проводниковой конструкции, рассчитанных на различные классы напряжения, имеющие высокую пропускную способность и обеспечивающие жесткое выполнение современных эксплуатационных требований обусловленных спецификой крупных городов [5, 6].

Повышение проводимости кабельных линий, с учетом мирового опыта, можно достичь осуществляя замену действующих кабельных изделий на новые, улучшенные кабели, имеющих более совершенную конструкцию и обеспечивающих эксплуатационную надежность в сочетании с большой пропускной способностью [5, 6, 7].

Проведенные исследования показывают, что тепловые режимы изоляции силовых кабелей определяют ресурс их работы [16, с. 19-23].  .

Существующее решение: усовершенствование конструкции кабеля обеспечивает регулирование допустимой рабочей температуры токоведущей жилы [7].

Недостаток:

1.Внесение изменений в технологический процесс изготовления кабельной продукции приводит к замене технологического оборудования на новое.

2. Внедрение новых конструкций кабеля и применяемых новых конструктивных материалов приводит к  освоению и отработке новой (внедряемой) технологии в производственный процесс, а также проведение комплекса сертификационных мероприятий для освоенной конструкции кабельного изделия, а также разработке и освоения производства кабельной арматуры.

Все это очень продолжительно по времени и влечет за собой длительные и большие финансовые затраты.

Кабельно-проводниковая продукция это один из самых дорогостоящих элементов любой электроэнергетической системы, поэтому вопрос ценообразования при ее проектировании занимает особое место, являясь очень важным экономическим аспектом выбора параметров кабельной линии. Задачи энергосбережения должны решаться уже на этапе проектирования кабельных линий с учетом разработки их конструкции, а полученные решения позволят соответствовать требованиям по надежности, сохранности кабельной продукции и обеспечить безопасность и здоровье людей задействованных в прокладке и последующей эксплуатации линии.

Усовершенствование конструкции кабеля — это процесс, требующий решения сложной и комплексной производственной задачи связанной с освоением новой технологии, а также проектированием комплектующих и кабельной арматуры для осуществления последующего монтажа и эксплуатации.

Обоснование предложения:

На кафедре «Электрические машины» Ташкентского государственного технического университета был проведен комплекс исследовательских работ по разработке и внедрению в производственный процесс изготовления кабельно-проводниковой продукции усовершенствованного способа волочения, обеспечивающий увеличение пропускной способности токоведущей части кабельного изделия за счет уменьшения омического сопротивления токопровода [9, 6, 7].

Качество отволоченной проволоки зависит от соблюдения технологии изготовления [10, с.229-232; 11, с74-78; 12, с.212-218]. На поверхности раздела “металл – волока” (рис.1) наблюдается действие контактных сил трения, направление которых является противоположным направлению движения металла [13, с.19-22, с.22-26].

Рисунок 1. Схема деформации металла при волочении сплошного круглого профиля в волоке: где, 1- проволока; 2-волока [9;15, с.102-107]

Проволока  при прохождении через фильеру оказывается под действием приложенной внешней силы волочения (Р_z), из-за которой элементы структуры металла (зерна) удлиняются в осевом направлении и утоньшаются как в тангенсальном, так и в радиальном направлениях под действием поперечной силы Q - внутреннее усилие (рис. 2) [9; 13, с.19-22, с.22-26; 10, с.229-232; 11, с74-78; 12, с.212-218].

Рисунок. 2.  - Схема волочения проволоки [9;15, с.102-107]

Описание предлагаемого технического решения:

Анализ технической литературы [9; 13, с.19-22, с.22-26; 10, с.229-232; 11, с74-78; 12, с.212-218; 14, с. 24-27] позволил сделать вывод: с увеличением суммарной степени деформации ε при волочении до 25–30% прочностные характеристики меди интенсивно возрастают, что приводит к росту омического сопротивления.

Воздействие сил внешнего трения вызванных силой волочения (Р_z) образуют дополнительную деформацию сдвига внутренних слоев металла за счет влияния холодной пластической деформации [15, с.102-107].

Все это приводит к изменению основных свойств ТПЖ: электрических и механических свойств вещества [9; 13, с.19-22, с.22-26; 10, с.229-232; 11, с74-78; 12, с.212-218; 14, с. 24-27].

Это объясняется наличием усилий волочения приводящих к изменению микроструктуры отволоченной проволоки  вызывая ее  уплотнение (рис. 3) [9; 13, с.19-22, с.22-26; 10, с.229-232; 15, с.102-107].

Рисунок 3. Микроструктура опытного образца медной проволоки с включением, образцы получены на в результате эксперимента проведенного на ИП ООО «NAVOI CABLE CONNECTOR» [9;15, с.102-107]

Воздействие сил внешнего трения вызванных силой волочения (Р_z) образуют  дополнительную деформацию сдвига внутренних слоев металла за счет влияния холодной пластической деформации.

Все это приводит к изменению основных свойств ТПЖ: электрических и механических свойств вещества.

Это объясняется наличием усилий волочения приводящих к изменению микроструктуры отволоченной проволоки  вызывая ее  уплотнение (рис. 3) [9;15, с.102-107].

Решение вопроса уменьшения электрического сопротивления ТПЖ достигается путем снижения дробности деформации в следствии сокращения количества проходов по маршруту волочения, т.е. уменьшением количества проходов волочения и рабочих зон пластической деформации (технологического инструмента – фильер), в которых происходит структурные изменения металла.

Экспериментальная часть исследования: Эксперемнтальные исследования осуществлись на отволоченных образцах медной проволоки в испытательной лаборатории ООО «NAVOI CABLE CONNECTOR» (г.Навои, Узбекистан) [9;15, с.102-107].

Проведенные измерения омического сопротивления образцов подтвердили ухудшение электрической проводимости ТПЖ за счет влияния дробности деформации, вызывающей уплотнение микроструктуры проволоки [9;15, с.102-107].

При проведении структурного анализа микршлифа  было установлено, что в микроструктуре образца происходит ее уплотнение, которое объясняется наличием технологической вытяжки действующей по линии приложения силы волочения.

Рисунок 3. Проходы по маршруту волочения для круглого сечения до пересчета маршрута

Рисунок 4. Проходы по маршруту волочения для фасонного сечения до пересчета

Вывод: Значение механических характеристик медной проволоки, отволоченной по новой технологии меньше чем у образцов после обычного стандартного волочения. Уровень прочностных характеристик по сравнению с обычным волочением является меньшим для образцов с использованием новой технологии с меньшим количеством проходов, что также создает предпосылки к снижению интенсивности использования рабочего инструмента (фильер), а следовательно и меньшим затратам энергетических и материальных ресурсов [9;15, с.102-107].

Рисунок 5. До пересчёта маршрута и после пересчета маршрута

Пересчет маршрута волочения на меньшее количество проходов позволил сократить количество проходов волочения с 10 до 6 и исключить из технологии незадействованные тянущие блоки с индивидуальными ЭМС.

Результаты экспериментальной части исследования [9;15, с.102-107]:

1) Результаты исследований полученных отволоченных образцов дали улучшение качественных показателей образцов медной проволоки (электрической проводимости) в среднем на 15%.

2) Сокращение количества незадействованных ЭМС привело к уменьшению энергопотребления в прямоточной ВМ на 27%, что дает основание считать предложенное техническое решение как энергосберегающее.

Таблица.

Сопоставительный анализ параметров процесса волочения для ЭМС волочильной машины [9;15, с.102-107]

Заключение: Усовершенствован способ волочения за счет уменьшения количества проходов по маршруту волочения позволил обеспечить хорошие технологические параметры для волочильной машины и эксплуатационные параметры для токоведущей части кабельной продукции [9;15, с.102-107].

Технологические параметры:

1. Внедрение новой методики волочения без внесения конструктивных изменений в волочильную машину;
2. Уменьшение дробности деформации отволоченной проволоки на 15%.
3. Увеличение производительности прямоточной ВМ до 20%;
4. Уменьшение количества отходов меди до 15%.
5. Получена возможность усовершенствовать волочильную машину путем отключения одного электропривода. В результате уменьшено энергопотребление технологического оборудования до 27%.

Эксплуатационные параметры:

1. Увеличить электрическую проводимость токоведущей части в среднем до 15%.
2. Уменьшение омического сопротивления токоведущей части кабеля позволит не только увеличить пропускную способность кабеля, но также уменьшить выбранное сечение жилы, что в конечном итоге существенно уменьшит цену на кабельную линию в целом.

Список литературы:

1. Интеллектуальное развитие электроэнергетики с участием активного потребителя / под ред. Бушуева В.В. М.: Энергия, 2013. 84 с.
2. Бушуев В.В., Кучеров Ю.Н. Инновационное развитие электроэнергетики как важнейший приоритет стратегического развития России // Электро. № 1, 2016. (http://www.energystrategy.ru/Docs/AEN_170216.pdf)
3. Ю.Н. Кучеров, А.В. Иванов, Д.А. Корев, Н.А. Уткин, А.З. Жук1 Развитие технологий активного потребителя и их интеграция в электрическую сеть общего пользования // Цифровая энергетика http://www.energystrategy.ru/DP/Source/DE_03.pdf
4. Кучеров Ю.Н., Березовский П.К., Веселов Ф.В., Илюшин П.В. Анализ общих технических требований к объектам распределенной генерации при их интеграции в энергосистему // Электрические станции, № 3, 2016. С. 2-10
5. Способы увеличения пропускной способности КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена https://mobile.ruscable.ru/article/212/
6. Увеличение пропускной способности и эксплуатация кабельной линии. http://www.energomet-e.ru/news/kabel-s-izolaziey-spe.
7. Навалихина Е.Ю., Труфанова Н.М. Компьютерная модель процессов тепломассопереноса в кабельном канале при различных режимах работы кабельных линий // Научный журнал «Фундаментальные исследования», 2014. –№ 9 (часть 5)– С. 988-992
8. Pirmatov N.B., Ivanova V.P., Madrakhimov D.B. Improving energy efficiency of drawing equipment through energy and resources saving // International journal of advanced research in science, Engineering and technology, vol. 6, issue 3, march 2019.
9. Иванова В.П. Повышение энерго- и ресурсосбереженияпрямоточных волочильных станов. Диссертация на соискание ученой степени (PhD) доктора философии по техническим наукам, Ташкент 2020г.
10. Muskalski Z., S. Wiewiórowska The theoretical analysis of wire drawing process for hydrodynamic friction conditions // Metallurgical and mining industry, 2011 – V. 3, № 7. – P. 74 – 78.
11. Lo, S. Wire drawing dies with prescribed variations of strain rate / S. Lo, Y. Lu // Journal of Materials Processing Technology, 2001 – P. 212 – 218
12. Берин И.Ш., Днестровский Н.З. Производство медной и алюминиевой проволоки, Издательство “Металлургия”. Москва, 1974г С. 16-17, 19-22, 22-26.
13. Дощинский Г.А., Ситникова Н.В. Определение величины эффекта Баушингера с ростом степени пластической деформации. Известия Томского политехнического института,  1976, С. 24-27.
14. Цыпкина В.В., Иванова В.П. Разработка обобщенных требований к модернизации электропривода волочильных машин кабельного производства // Журнал «Universum: технические науки»,-Москва, 2017. –С.102-107.
15. Канискин В.А., Костенко Э.М., Таджибаев А.И. Неразрушающий метод определения ресурса электрических кабелей с полимерной изоляцией в условиях эксплуатации // Электричество. 1995, № 5, с. 19-23.
16. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии. – 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1996, 464 с.