Mikä tekee magnesium-alumiiniseoksesta putkimaisista virtakiskoista välttämättömiä ultrakorkeajännitteisille voimansiirtojärjestelmille?

Ultrakorkea jännite (UHV) magnesium-alumiiniseoksesta valmistettu putkimainen virtakisko toimivat ydinjohtavina komponentteina Yli 500 kV:n erikoiskorkea jännite ja ultrakorkea jännite voimansiirto- ja muunnosjärjestelmät . Valmistettu käyttäen magnesium-alumiiniseosmateriaalijärjestelmiä tarkkojen suulakepuristusmuovausprosessien avulla, nämä tuotteet yhdistävät kevyt rakenne, korkea sähkönjohtavuus ja erinomainen mekaaninen lujuus . Tuotesarja sisältää useita materiaalieritelmiä, mukaan lukien 6063G alumiini-magnesium-seos, LF21Y-alumiini-mangaani-seos, 6R05 harvinaisten maametallien alumiiniseos ja 2A14 lämmönkestävä alumiiniseos, jotka kattavat kattavasti UHV-sovellusskenaariot 220kV, ±750,80k välillä. 1000kV. Nimelliskäyttöolosuhteissa sähkönjohtavuus saavuttaa ≥60 % IACS , nimellisvirtakapasiteetilla enintään 12 000A , vetolujuus säilyy 180-250 MPa alue, käyttölämpötilan kattavuus alkaen -40 ℃ - 150 ℃ , ja suunniteltu käyttöikä 30-40 vuotta .

Materiaalijärjestelmän ja metalliseoksen koostumuksen suunnittelu

Ensisijaisten metalliseosten laadut ja ominaisuudet

Materiaalivalinta varten UHV magnesium-alumiiniseoksesta valmistettu putkimainen virtakisko määrittää suoraan niiden sähköisen suorituskyvyn ja mekaanisen luotettavuuden. Nykyiset suunnittelusovellukset käyttävät ensisijaisesti seuraavia neljää metalliseosluokkaa:

• 6063G alumiini-magnesiumseos : Kuuluu Al-Mg-Si lämpökäsiteltyyn lujittavaan metalliseosjärjestelmään, jolla on erinomainen ekstruusiokäsittelyn suorituskyky ja korroosionkestävyys. Sähkönjohtavuus on noin 53-55 % IACS, vetolujuus 120-150 MPa, sopii tavanomaisiin UHV-sähkökiskojärjestelmiin.
• LF21Y alumiini-mangaaniseos : Al-Mn-sarjan ruosteenestoalumiiniseos, jolla on erinomainen ilmakehän korroosionkestävyys ja hyvä hitsattavuus, kohtalainen lujuus. Sitä käytetään ensisijaisesti ulkosähköasemilla rannikolla ja korkean kosteuden ympäristöissä.
• 6R05 harvinaisten maametallien alumiiniseos : Sisältää harvinaisten maametallien elementtejä (kuten Ce, La jne.) alumiinimatriisiin, jalostaa merkittävästi raerakennetta, parantaa korkeiden lämpötilojen lujuutta ja virumisvastusta. Sähkönjohtavuus saavuttaa ≥ 60 % IACS, vetolujuus 180-220 MPa, sopii suurivirtaisille, raskaan kuormituksen UHV-keskiasemille.
• 2A14 Lämmönkestävä alumiiniseos : Al-Cu-Mg-Si-sarjan erittäin luja lämmönkestävä metalliseos, joka pystyy toimimaan pitkään yli 150 ℃ lämpötilassa ja jonka vetolujuus ylittää 250 MPa. Sitä käytetään pääasiassa generaattoreiden pistorasioihin, sähköuunien muuntajiin ja muihin suurivirtaisiin, korkean lämpötilan noususovelluksiin.

Kriittisen kemiallisen koostumuksen hallinta

Seoksen koostumuksen tarkka säätö on edellytys tasaisen virtakiskon suorituskyvyn varmistamiseksi. Kun otetaan esimerkkinä 6063G-seos, sen pääalkuaineiden massaosuuksia on valvottava tiukasti seuraavilla alueilla:

Magnesium (Mg), joka on ensisijainen seosaine, yhdistyy piin (Si) kanssa muodostaen Mg2Si-vahvistusfaaseja. T6-lämpökäsittelyn (liuoskäsittely keinotekoinen vanhentaminen) avulla materiaalin lujuutta voidaan parantaa merkittävästi. Samaan aikaan magnesiumin lisäämisellä on suhteellisen vähäinen negatiivinen vaikutus sähkönjohtavuuteen, minkä ansiosta 6063G-lejeeringillä saavutetaan erinomainen tasapaino lujuuden ja johtavuuden välillä.

Sähköteho ja virrankantokyky

Sähkönjohtavuus ja -vastusominaisuudet

UHV-putkikiskojen ydinsähköisen suorituskyvyn indikaattorit ovat sähkönjohtavuus ja tasavirtavastus. Teknisten mittaustietojen mukaan eri metalliseoslaaduilla on erilaisia johtavia ominaisuuksia:

• 6063G-T6 kunto : Sähkönjohtavuus ≥53 % IACS, ominaisvastus 20 ℃:ssa noin 0,0325 Ω·mm²/m
• 6101-T7 Kunto : Sähkönjohtavuus ≥56 % IACS, ominaisvastus 20 ℃:ssa noin 0,0308 Ω·mm²/m
• 6R05 harvinaisten maametallien metalliseos : Sähkönjohtavuus ≥60 % IACS, ominaisvastus 20 ℃:ssa noin 0,0287 Ω·mm²/m
• 1060 puhdasta alumiinia : Sähkönjohtavuus ≥61 % IACS, mutta alhaisempi mekaaninen lujuus, käytetään vain sovelluksissa, joissa lujuusvaatimukset eivät ole kriittisiä

Esimerkkinä 500 kV sähköasema, kun käytetään 6063G putkimaisia virtakiskoja, joiden ulkohalkaisija 160mm ja seinämän paksuus 8mm , poikkileikkausala on noin 3 848 mm² . Ympäristön lämpötilassa 35 ℃ ja johtimen sallitussa lämpötilassa 80 ℃ jatkuvan virran kantokyky saavuttaa 4500-5000A . Jos käytetään saman spesifikaation mukaista 6R05 harvinaisten maametallien metalliseosta, virran kantavuus voidaan nostaa 4800-5300A , mikä tarkoittaa noin 6-8 prosentin parannusta.

Nykyisen kantokapasiteetin suunnitteluviite

Putkikiskojen nykyisen kantokyvyn suunnittelussa on otettava kattavasti huomioon johtimen poikkileikkaus, lämmönpoistoolosuhteet, ympäristön lämpötila ja auringon säteilytekijät. Seuraavassa taulukossa on viitearvot tyypillisten teknisten ominaisuuksien virrankestolle ulko-olosuhteissa (ympäristön lämpötila 35 ℃, johtimen lämpötila 80 ℃, auringon säteilyn intensiteetti 1 000 W/m²):

On huomionarvoista, että kun käytetään putkimaisia virtakiskoja liitännät GIS:n (Gas Insulated Switchgear) ja muuntajien tai katkaisijoiden välillä , todellinen virrankantokyky on kerrottava korjauskertoimella 0,85-0,90 kompaktin tilan ja rajallisten lämmönpoistoolosuhteiden vuoksi.

Mekaaninen lujuus ja rakennesuunnittelu

Veto- ja myötölujuus

UHV putkimaiset virtakiskot sen on kestettävä useita mekaanisia kuormituksia käytön aikana, mukaan lukien omapaino, tuulenpaine, jään muodostuminen ja oikosulkujen sähködynaamiset voimat. Niiden mekaanisten suorituskykyindikaattoreiden on täytettävä seuraavat vaatimukset:

• Vetolujuus (Rm) : ≥180MPa (6R05-seos voi saavuttaa yli 220MPa)
• Sadonvoimakkuus (Rp0,2) : ≥120MPa (6063G T6-tilassa noin 150MPa)
• Pidentymä (A50) : ≥ 8 % (varmistaa haurauden välttämisen asennuksen taivutuksen aikana)
• Elastinen moduuli : Noin 70 GPa, mikä vastaa puhdasta alumiinia

Oikosulkuvirran vaikutuksesta virtakiskojen on kestettävä valtavia sähködynaamisia voimia. Ottamalla a 50kA/3s Esimerkiksi oikosulkuvirta, vierekkäisten rinnakkaisten johtimien välinen sähködynaaminen voima voi nousta useisiin tuhansiin newtoniin metriä kohti, mikä edellyttää, että kiskoilla on riittävän staattisen lujuuden lisäksi hyvä väsymiskestävyys. Magnesium-alumiiniseosten väsymisraja on noin 35-40 % vetolujuudesta, mikä tarjoaa hyvän kestävyyden tuulen aiheuttamassa tärinässä ja oikosulkuvärähtelyympäristöissä.

Taivutus- ja tukijännevälisuunnittelu

Putkikiskojen tukijänne vaikuttaa suoraan projektin kustannuksiin ja käyttöturvallisuuteen. IEEE Std 605- ja DL/T 5222 -standardien mukaan ulkona olevien putkimaisten virtakiskojen suurin taipuma on yleensä rajoitettu sisäpuolelle. 1/200 - 1/150 jännevälistä. Kun otetaan yleisesti käytetty φ160×8mm putkimainen virtakisko esimerkiksi omapainon ja tuulen peruspaineen (0,5 kN/m²) yhteisvaikutuksen alaisena maksimi tukijänne voi saavuttaa 8-10 metriä . Jos käytetään vahvistettuja tukia tai jänneväli pienennetään 6-7 metriin, taipumista voidaan vähentää merkittävästi ja tuulen aiheuttamaa tärinänkestävyyttä parantaa.

Suuren jännevälin sovelluksiin UHV-sähköasemilla (kuten teiden tai laitealueiden ylittäminen), putkimainen kokoojakisko vaimennusjohto Usein käytetään komposiittirakenteita tai jänneväliin lisätään aputukeja tuulen aiheuttaman tärinän ja oikosulkuvärähtelyn vaimentamiseksi. Mittaukset ovat osoittaneet, että kun alumiinisäikeiset vaimennusjohdot on asennettu putkimaisten virtakiskojen sisään, tuulen aiheuttamaa tärinän amplitudia voidaan vähentää yli 60 % , ehkäisee tehokkaasti väsymysmurtumariskiä.

Säänkestävyys ja korroosiosuojaus

Ilmakehän korroosiokäyttäytyminen

Magnesium-alumiiniseoksesta valmistettujen putkimaisten virtakiskojen pinta muodostaa luonnollisesti tiiviin Al2O3-oksidikalvo jonka paksuus on noin 2-10 nm. Tällä oksidikalvolla on hyvä stabiilisuus ympäristöissä, joiden pH-arvot ovat 4-9, mikä estää tehokkaasti substraatin lisäkorroosiota. Teollisuusilmakehissä (sisältää SO₂), meriilmakehissä (sisältää Cl-) ja happosadeympäristöissä oksidikalvo voi kuitenkin vaurioitua, mikä johtaa pistemäiseen tai rakeiden väliseen korroosioon.

Nopeutetut korroosiotestitiedot osoittavat, että 6063G-seoksen vuotuinen korroosionopeus teollisuusilmakehän ympäristöissä on noin 0,5-1,5 μm , ja meriilmakehän ympäristöissä noin 1,0-3,0 μm . Perustuu 30 vuoden suunniteltuun käyttöikään ja 8 mm:n seinämänpaksuuteen, jopa ilman lisäsuojausta, korroosiohäviö on vain 1-2 % seinämän paksuudesta, jolla on rajallinen vaikutus rakenteelliseen lujuuteen. Kuitenkin erittäin syövyttävissä ympäristöissä (kuten rannikkoalueilla, joissa on runsaasti suolaa) pinnan anodisointia tai korroosionestopinnoitusta suositellaan.

Pinnan suojausprosessit

Putkimaisten virtakiskojen käyttöiän pidentämiseksi ankarissa olosuhteissa käytetään yleisesti seuraavia suojatoimenpiteitä:

1. Anodisoiva hoito : Luo sähkökemiallisilla menetelmillä pinnalle 10-25 μm paksuisen Al₂O3 -kalvon, jolla on korkea kovuus ja hyvät eristysominaisuudet, ja korroosionkestävyys on parantunut 3-5 kertaa.
2. Fluorihiilipinnoite : Ruiskutetaan PVDF- tai FEVE-fluorihiilipinnoitteita, joiden kalvonpaksuus on 30-50 μm ja jotka säilyttävät erinomaisen värin ja kiillon ultravioletti- ja suolasumuympäristöissä ja korroosiosuojauksen käyttöikä yli 20 vuotta.
3. Hot-Dip-pinnoite : Kuumasinkitys tai tinaus liitäntäosille ja muille erilaisille metallikontaktialueille galvaanisen korroosion estämiseksi.
4. Johtava rasvasuojaus : Sinkki- tai hopeapitoisen johtavan rasvan levittäminen liitospinnoille kosketusvastuksen vähentämiseksi ja ilman ja kosteuden eristämiseksi.

Teknologian kehitystrendit

Uudet materiaalit ja prosessit

Kun UHV-projektit etenevät kohti korkeampia jännitelaatuja ja suurempaa siirtokapasiteettia, magnesium-alumiiniseoksesta valmistettu putkimainen virtakiskotekniikka kehittyy edelleen:

• Nanokomposiittivahvistus : Nanokokoisten TiB2- tai Al2O3-hiukkasten lisääminen alumiinimatriisiin voi lisätä vetolujuutta yli 300 MPa vähentämättä merkittävästi sähkönjohtavuutta, samalla kun se parantaa virumisvastusta.
• Jatkuva ekstruusiotekniikka : Conformin jatkuvan suulakepuristusprosessin käyttö mahdollistaa rajoittamattoman pituisten putkimaisten virtakiskojen valmistuksen, eliminoi tavanomaisen suulakepuristuksen rajapinnan heikkoudet ja parantaa merkittävästi tuotteen yhtenäisyyttä.
• Online sammutus ja ikääntyminen : Suulakepuristus-, karkaisu- ja vanhentamisprosessien yhdistäminen yhdeksi tuotantolinjaksi lyhentää valmistussyklejä, kun taas tarkka lämpötilan säätö vähentää suorituskyvyn vaihtelua T6-olosuhteissa ±5 %:iin.

Älykäs valvontatekniikka

Nykyaikaiset UHV-sähköasemat ottavat vähitellen käyttöön esineiden Internetiä ja tekoälyteknologiaa putkimaisten virtakiskojen toimintaolosuhteiden reaaliaikaiseen seurantaan:

1. Hajautettu kuituoptinen lämpötilan mittaus : Optisten kuitujen asettaminen putkimaisten virtakiskojen pinnalle tai liitoksiin käyttämällä Raman-sironta- tai Brillouin-sirontaperiaatetta hajautetun lämpötilakentän mittauksen saavuttamiseksi ±1 ℃:n tarkkuudella ja 0,5 metrin tilaresoluutiolla.
2. Langaton rasitusvalvonta : Pienikokoisten langattomien venymäanturien asentaminen tukipisteisiin ja keskialueelle keräämään värähtelytaajuutta ja -amplitudia reaaliajassa ja tunnistamaan tuulen aiheuttaman tärinän ja jään laukkaamisen riskit spektrianalyysin avulla.
3. AI-vian ennustaminen : Koneoppimismallien kouluttaminen historiallisiin toimintatietoihin perustuvien fuusioanalyysien tekeminen moniulotteisille tiedoille, mukaan lukien lämpötila, tärinä ja sääolosuhteet, mahdollisten vikojen ennustamiseksi 72 tuntia etukäteen yli 90 %:n tarkkuudella.

Katse eteenpäin, UHV magnesium-alumiiniseoksesta valmistettu putkimainen virtakisko tulee kehittymään kohti suurempi lujuus, korkeampi sähkönjohtavuus, pidempi käyttöikä ja parempi älykkyys , joka tarjoaa vankan laitteistotuen uuden sähköjärjestelmän rakentamiseen, jossa uusiutuva energia on tukipilari.