Rozszerzalność cieplna jest to właściwość ciał polegająca na zwiększaniu swojej objętości w odpowiedzi na zmianę temperatury poprzez przenikanie ciepła. Miarą tej właściwości jest współczynnik rozszerzalności liniowej, definiowany jako względna zmiana długości danego materiału na każdy stopień zmiany temperatury. Współczynniki rozszerzalności liniowej dla miedzi i aluminium, przy zmianie temperatury wyrażone w wartościach na stopnień Celsjusza, wynoszą:
- Miedź 17 ∙ 10-6
- Aluminium 23 ∙ 10-6
Inaczej mówiąc, współczynnik rozszerzalności cieplnej aluminium jest 35% większy niż miedzi. Ta właściwość jest istotnym problemem kiedy rozważamy rozszerzanie i kurczenie się żył i ich połączeń elektrycznych poddawanych cyklom cieplnym.
Cykle cieplne w elektroenergetycznych systemach zasilających
Jest to zjawisko stale występujące w elektroenergetycznych systemach zasilających i dotyczy rozszerzania i kurczenia się żył kabli wraz ze zmianami temperatury. Ogólnie, kable należy instalować w taki sposób, aby móc kontrolować rozszerzanie się i kurczenie, tzn. winny być układane swobodnie, bez naciągania tak, aby kabel tworzył linię lekko “wężowatą”. Jeżeli system jednak zawiera nieciągłości takie, jak np. mufy, na połączeniach tych wystąpią siły mechaniczne.
ZOBACZ TAKŻE: Miedziane przewody lepiej wytrzymują zwarcia
Siły te zależą nie tylko od współczynnika rozszerzalności, ale także od modułu Younga i przekroju poprzecznego żyły. Uwzględniając odmienne wartości odpowiednich parametrów, siły mechaniczne powodowane zmianami temperatury są około 20% wyższe dla aluminium w porównaniu z miedzią. Jeżeli siły te są wystarczająco duże, to mogą osiągnąć poziom niszczący i skutkować uszkodzeniem złącza.
Chociaż podobna sytuacja może wystąpić w samym złączu kablowym, jeżeli żyła i złącze są wykonane z różnych materiałów, nie spowoduje to poważniejszych problemów, ponieważ wymiary złącza są małe; znacznie mniejsze niż długość kabla. Znacznie poważniejszym problemem dotyczącym łączenia odmiennych materiałów jest korozja stykowa.
CZYTAJ TAKŻE: Baza wiedzy : Przewodność materiałowa
W przypadku przewodów linii napowietrznych, wydłużenie spowodowane wzrostem temperatury powoduje zwiększenie zwisu. Jeżeli przewód linii dosięgnie drzewa, nastąpi przepływ prądu do ziemi, czyli zwarcie doziemne, które czasem może spowodować awarię zasilania na znacznym obszarze. Zwiększony zwis linii napowietrznej był przyczyną dwóch dużych awarii zasilania w Stanach Zjednoczonych w latach 1996 i 2003.
Który materiał wybrać?
Wydłużanie i kurczenie się pod wpływem zmian temperatury nieuchronnie prowadzi do pewnych problemów dotyczących żył kabli i przewodów. Najbardziej znaczącymi konsekwencjami wyższego współczynnika rozszerzalności cieplnej aluminium jest występowanie niszczących sił w złączu kablowym i zwiększony zwis przewodów linii napowietrznych. Ze względu na te problemy, miedź, która charakteryzuje się znacznie niższym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, jest z pewnością lepszym wyborem niż aluminium.
Literatura
- The effect of high current loads on joints in MV cable systems: 21st International Conference on Electricity Distribution Frankfurt, 6-9 June 2011
- The thermo-mechanical behavior of joints in MV cable systems exposed to high current loads: 8th International Conference on Insulated Power Cables, 2011
- Measurement of the force induced by thermal expansion of conductor of MV cables and impact on MV joints: 22nd International Conference on Electricity Distribution, 2013
- Towards In-Field Current Rating Verification of Underground Power Cable Systems: Bernd C. van Maanen, Eindhoven University of Technology, Department of Electrical Engineering
- More power to the grid, Oak Ridge National Laboratory