Čo robí rúrkové zbernice z horčíkovo-hliníkových zliatin nevyhnutnými pre systémy prenosu ultravysokého napätia？

Rúrkové prípojnice zo zliatiny horčíka a hliníka s ultravysokým napätím (UHV). slúžia ako hlavné vodivé komponenty pre 500 kV a vyššie systémy prenosu a transformácie extra vysokého napätia a ultra vysokého napätia . Tieto produkty sa vyrábajú s použitím materiálových systémov zo zliatiny horčíka a hliníka prostredníctvom procesov presného vytláčania. ľahká konštrukcia, vysoká elektrická vodivosť a vynikajúca mechanická pevnosť . Produktový rad zahŕňa viaceré materiálové špecifikácie vrátane zliatiny hliníka a horčíka 6063G, zliatiny hliníka a mangánu LF21Y, zliatiny hliníka vzácnych zemín 6R05 a zliatiny hliníka odolnej voči teplu 2A14, ktoré komplexne pokrývajú scenáre aplikácií UHV od 220 kV, 500 kV, 750 kV, 0kV, ± 800k. Pri menovitých prevádzkových podmienkach dosahuje elektrická vodivosť ≥60 % IACS , s menovitou prúdovou kapacitou až 12 000 A , pevnosť v ťahu zachovaná v 180-250MPa rozsah, prevádzkové teplotné pokrytie od -40 ℃ až 150 ℃ a navrhovanú životnosť 30-40 rokov .

Dizajn materiálového systému a zloženia zliatiny

Primárne zliatiny triedy a charakteristiky

Výber materiálu pre Rúrkové prípojnice zo zliatiny horčíka a hliníka UHV priamo určuje ich elektrický výkon a mechanickú spoľahlivosť. Súčasné inžinierske aplikácie využívajú predovšetkým tieto štyri kategórie zliatin:

• 6063G zliatina hliníka a horčíka : Patrí do systému tepelne spracovateľnej spevňujúcej zliatiny Al-Mg-Si, ktorý sa vyznačuje vynikajúcim výkonom spracovania vytláčaním a odolnosťou proti korózii. Elektrická vodivosť je približne 53-55% IACS, s pevnosťou v ťahu 120-150MPa, vhodná pre konvenčné systémy rozvodní UHV.
• LF21Y Zliatina hliníka a mangánu : Antikorózna hliníková zliatina série Al-Mn s vynikajúcou odolnosťou proti atmosférickej korózii a dobrou zvariteľnosťou, so strednou pevnosťou. Primárne sa používa vo vonkajších rozvodniach v pobrežnom prostredí a prostredí s vysokou vlhkosťou.
• 6R05 hliníková zliatina vzácnych zemín : Obsahuje prvky vzácnych zemín (ako Ce, La atď.) do hliníkovej matrice, čím výrazne zjemňuje štruktúru zŕn, zvyšuje pevnosť pri vysokých teplotách a odolnosť proti tečeniu. Elektrická vodivosť dosahuje ≥60% IACS, s pevnosťou v ťahu 180-220MPa, vhodná pre vysokoprúdové, vysoko zaťažené uzlové stanice UHV.
• 2A14 Tepelne odolná hliníková zliatina : Vysokopevnostná tepelne odolná zliatina série Al-Cu-Mg-Si schopná dlhodobej prevádzky nad 150 ℃, s pevnosťou v ťahu presahujúcou 250 MPa. Používa sa hlavne pre výstupy generátorov, transformátory elektrických pecí a iné aplikácie s vysokým prúdom a vysokými teplotami.

Kritická kontrola chemického zloženia

Presná kontrola zloženia zliatiny je predpokladom pre zabezpečenie konzistentného výkonu zbernice. Ak vezmeme ako príklad zliatinu 6063G, hmotnostné frakcie jej primárnych prvkov musia byť prísne kontrolované v nasledujúcich rozsahoch:

Horčík (Mg), ako primárny legovací prvok, sa spája s kremíkom (Si) za vzniku Mg₂Si spevňujúcich fáz. Prostredníctvom tepelného spracovania T6 (umelé starnutie v roztoku) je možné výrazne zvýšiť pevnosť materiálu. Medzitým má pridanie horčíka relatívne malý negatívny vplyv na elektrickú vodivosť, čo umožňuje zliatine 6063G dosiahnuť vynikajúcu rovnováhu medzi pevnosťou a vodivosťou.

Elektrický výkon a prúdová kapacita

Charakteristiky elektrickej vodivosti a odporu

Hlavnými indikátormi elektrického výkonu pre UHV rúrkové prípojnice sú elektrická vodivosť a jednosmerný odpor. Podľa údajov technických meraní vykazujú rôzne druhy zliatin rôzne vodivé vlastnosti:

• 6063G-T6 Stav : Elektrická vodivosť ≥53% IACS, rezistivita pri 20℃ približne 0,0325 Ω·mm²/m
• 6101-T7 Stav : Elektrická vodivosť ≥56% IACS, rezistivita pri 20℃ približne 0,0308 Ω·mm²/m
• 6R05 Zliatina vzácnych zemín : Elektrická vodivosť ≥60 % IACS, rezistivita pri 20℃ približne 0,0287 Ω·mm²/m
• 1060 čistý hliník : Elektrická vodivosť ≥61 % IACS, ale s nižšou mechanickou pevnosťou, používa sa len v aplikáciách, kde požiadavky na pevnosť nie sú kritické

Vezmime si ako príklad 500kV rozvodňu pri použití rúrkových zberníc 6063G s vonkajším priemerom 160 mm a hrúbka steny 8 mm , plocha prierezu je približne 3 848 mm² . Pri okolitej teplote 35 ℃ a prípustnej teplote vodiča 80 ℃ dosahuje trvalá prúdová zaťažiteľnosť 4 500 - 5 000 A . Ak sa použije zliatina vzácnych zemín 6R05 rovnakej špecifikácie, prúdová zaťažiteľnosť sa môže zvýšiť na 4,800-5,300A , čo predstavuje zlepšenie približne o 6-8 %.

Referencia návrhu aktuálnej nosnej kapacity

Návrh prúdovej únosnosti rúrkových prípojníc musí komplexne zohľadňovať prierez vodičov, podmienky rozptylu tepla, okolitú teplotu a faktory slnečného žiarenia. Nasledujúca tabuľka poskytuje referenčné hodnoty pre prúdovú zaťažiteľnosť typických špecifikácií pri vonkajších podmienkach (teplota okolia 35 °C, teplota vodiča 80 °C, intenzita slnečného žiarenia 1 000 W/m²):

Je pozoruhodné, že keď sa používajú rúrkové zbernice pre spojenia medzi GIS (gas Insulated Switchgear) a transformátormi alebo ističmi , skutočná prúdová zaťažiteľnosť sa musí vynásobiť korekčným faktorom 0,85-0,90 kvôli kompaktnému priestoru a obmedzeným podmienkam rozptylu tepla.

Mechanická pevnosť a konštrukčný návrh

Pevnosť v ťahu a klzu

UHV rúrkové prípojnice musí odolať viacnásobnému mechanickému zaťaženiu počas prevádzky vrátane vlastnej hmotnosti, tlaku vetra, námrazy a skratových elektrodynamických síl. Ich ukazovatele mechanického výkonu musia spĺňať tieto požiadavky:

• Pevnosť v ťahu (Rm) : ≥180MPa (zliatina 6R05 môže dosiahnuť viac ako 220MPa)
• Medza klzu (Rp0,2) : ≥120MPa (6063G v podmienkach T6 približne 150MPa)
• Predĺženie (A50) : ≥ 8 % (zabezpečuje, že počas ohýbania pri inštalácii nedochádza k krehkému lomu)
• Modul pružnosti : Približne 70 GPa, čo zodpovedá čistému hliníku

Pri náraze skratového prúdu musia prípojnice odolať obrovským elektrodynamickým silám. Prijímanie a 50 kA/3 s skratový prúd ako príklad, elektrodynamická sila medzi susednými paralelnými vodičmi môže dosiahnuť niekoľko tisíc Newtonov na meter, čo vyžaduje, aby prípojnice mali nielen dostatočnú statickú pevnosť, ale aj dobrú odolnosť proti únave. Hranica únavy horčíkovo-hliníkových zliatin je približne 35 – 40 % pevnosti v ťahu, ktorá poskytuje dobrú trvanlivosť v prostredí s vibráciami vyvolanými vetrom a pri skratových vibráciách.

Dizajn priehybu a rozpätia podpory

Rozpätie podpory rúrkových zberníc priamo ovplyvňuje náklady na projekt a prevádzkovú bezpečnosť. Podľa noriem IEEE Std 605 a DL/T 5222 je maximálny priehyb vonkajších rúrkových prípojníc vo všeobecnosti obmedzený na 1/200 až 1/150 rozpätia. Pričom bežne používané φ160 × 8 mm rúrková zbernica ako príklad, pri kombinovanom pôsobení vlastnej hmotnosti a základného tlaku vetra (0,5 kN/m²) môže dosiahnuť maximálne rozpätie podpery 8-10 metrov . Ak sa použijú zosilnené podpery alebo sa rozpätie zníži na 6-7 metrov, môže sa výrazne znížiť priehyb a zlepšiť odolnosť voči vibráciám spôsobeným vetrom.

Pre aplikácie s veľkým rozpätím v rozvodniach UHV (ako sú križovatky ciest alebo oblasti zariadení), rúrkový tlmiaci drôt zbernice často sa používajú kompozitné konštrukcie alebo sa v strede rozpätia pridávajú pomocné podpery na potlačenie vibrácií spôsobených vánkom a skratových vibrácií. Merania ukázali, že po inštalácii tlmiacich vedení z hliníkového lanka vo vnútri rúrkových zberníc možno amplitúdu vibrácií spôsobených vánkom znížiť o viac ako 60% účinne predchádza rizikám únavových zlomenín.

Odolnosť voči poveternostným vplyvom a ochrana proti korózii

Atmosférické korózne správanie

Povrch rúrkových prípojníc zo zliatiny horčíka a hliníka prirodzene tvorí hustý Film oxidu Al2O3 s hrúbkou približne 2-10 nm. Tento oxidový film vykazuje dobrú stabilitu v prostrediach s hodnotami pH medzi 4-9, čím účinne zabraňuje ďalšej korózii podkladu. Avšak v priemyselnej atmosfére (obsahujúcej SO₂), morskej atmosfére (obsahujúcej Cl⁻) a kyslom daždi môže dôjsť k poškodeniu oxidového filmu, čo vedie k jamkovej alebo medzikryštalickej korózii.

Údaje zrýchleného korózneho testu naznačujú, že ročná miera korózie zliatiny 6063G v priemyselných atmosférických prostrediach je približne 0,5-1,5μm a približne v morskom atmosférickom prostredí 1,0-3,0 μm . Na základe projektovanej životnosti 30 rokov a hrúbky steny 8 mm je aj bez dodatočnej ochrany iba strata koróziou 1 – 2 % hrúbky steny, čo má obmedzený vplyv na pevnosť konštrukcie. V silne korozívnych prostrediach (ako sú pobrežné oblasti s vysokým obsahom slanej hmly) sa však odporúča povrchová anodizácia alebo antikorózna povrchová úprava.

Procesy povrchovej ochrany

Na predĺženie životnosti rúrkových zberníc v drsnom prostredí sa bežne používajú nasledujúce ochranné opatrenia:

1. Eloxovacia úprava : Vytvorenie 10-25μm hrubého Al₂O₃ filmu na povrchu elektrochemickými metódami, vyznačujúce sa vysokou tvrdosťou a dobrými izolačnými vlastnosťami, s odolnosťou proti korózii zlepšenou 3-5 krát.
2. Fluorokarbónový povlak : Striekanie fluorokarbónových povlakov PVDF alebo FEVE s hrúbkou filmu 30-50 μm, vykazujúcich vynikajúce zachovanie farby a lesku v ultrafialovom prostredí a prostredí so slanou hmlou, so životnosťou ochrany proti korózii presahujúcou 20 rokov.
3. Poťahovanie za horúca : Aplikácia žiarového zinkovania alebo pocínovania na spojovací materiál a iné rozdielne kovové kontaktné plochy, aby sa zabránilo galvanickej korózii.
4. Ochrana proti vodivému tuku : Nanášanie vodivého maziva s obsahom zinku alebo striebra na kontaktné povrchy kĺbov, aby sa znížil kontaktný odpor a izoloval vzduch a vlhkosť.

Trendy vývoja technológií

Nové materiály a procesy

Ako projekty UHV postupujú smerom k vyšším napäťovým stupňom a väčšej prenosovej kapacite, technológia rúrkových prípojníc zo zliatiny horčíka a hliníka sa neustále vyvíja:

• Nano-kompozitné spevnenie : Zavedenie nanočastíc TiB2 alebo Al2O3 do hliníkovej matrice môže zvýšiť pevnosť v ťahu na nad 300 MPa bez výrazného zníženia elektrickej vodivosti, pričom sa zlepšuje odolnosť proti tečeniu.
• Technológia kontinuálneho vytláčania : Použitie procesov kontinuálneho vytláčania Conform umožňuje výrobu rúrkových prípojníc neobmedzenej dĺžky, čím sa eliminujú slabé miesta na rozhraní konvenčného vytláčania a výrazne sa zlepšuje konzistencia produktu.
• Online kalenie a starnutie : Integrácia procesov extrúzie, kalenia a starnutia do jednej výrobnej linky skracuje výrobné cykly, zatiaľ čo presná regulácia teploty znižuje odchýlky výkonu v podmienkach T6 na ±5 %.

Inteligentná monitorovacia technológia

Moderné UHV rozvodne postupne zavádzajú technológie internetu vecí a umelej inteligencie na monitorovanie prevádzkových podmienok rúrkových prípojníc v reálnom čase:

1. Distribuované meranie teploty optických vlákien : Ukladanie optických vlákien na povrch rúrkových prípojníc alebo na spoje s využitím princípov Ramanovho rozptylu alebo Brillouinovho rozptylu na dosiahnutie merania distribuovaného teplotného poľa s presnosťou ±1℃ a priestorovým rozlíšením 0,5 metra.
2. Bezdrôtové monitorovanie napätia : Inštalácia miniatúrnych bezdrôtových snímačov napätia v podporných bodoch a v strede rozpätia na zhromažďovanie frekvencie a amplitúdy vibrácií v reálnom čase, pričom identifikuje riziká vibrácií spôsobených vetrom a cvalom ľadu prostredníctvom spektrálnej analýzy.
3. Predikcia porúch AI : Trénovanie modelov strojového učenia na základe historických prevádzkových údajov, vykonávanie fúznej analýzy na viacrozmerných údajoch vrátane teploty, vibrácií a meteorologických podmienok s cieľom predpovedať potenciálne poruchy 72 hodín vopred s presnosťou presahujúcou 90 %.

pri pohľade dopredu, Rúrkové prípojnice zo zliatiny horčíka a hliníka UHV sa bude vyvíjať smerom vyššia pevnosť, vyššia elektrická vodivosť, dlhšia životnosť a väčšia inteligencia , ktorá poskytuje solídnu podporu zariadení na vybudovanie nového energetického systému s obnoviteľnou energiou ako hlavnou oporou.