Full Text

Введение. Рациональное распределение электрической энергии в пределах крупных городов с многоэтажной застройкой становится все более сложной задачей. В результате уплотнения застройки, реконструкции городских объектов нагрузка эксплуатируемых кабельных линий постоянно меняется [1]. Все большее разнообразие в способах прокладки кабельных линий в условиях разветвленного мегаполиса усложняет процесс определения значений длительно допустимых токов с использованием нормативных документов, таких как ПУЭ и ГОСТ Р МЭК [2]. Работоспособность кабельных линий напрямую зависит от определения достоверных рабочих режимов. В условиях меняющейся нагрузки важной составляющей обеспечения безаварийной работы системы распределения электрической энергии становятся контроль и прогнозирование температурных полей в кабельных каналах и, как следствие, распределение нагрузки по кабельным линиям [3]. Точное определение рабочей температуры кабельной линии позволяет снизить количество отказов кабеля вследствие перегрева и ускоренного старения изоляции [4]. Непосредственное измерение температуры с помощью встроенных датчиков, как правило оптических, позволяет оценить температурный режим работы системы в настоящем времени [5-8]. Исследование температурных полей в перспективных, в том числе аварийных режимах, возможно с помощью численного моделирования. Численное моделирование процессов тепломассообмена учитывает все условия, оказывающие влияние на распределение температуры в кабельном канале и за его пределами. Оценить адекватность полученных с помощью расчетов значений, а также контролировать возможные изменения внешних воздействий, позволяют встроенные датчики температуры. Внедрение цифровых технологий в сферу распределения электроэнергии помогает обеспечивать стабильную и безаварийную работу систем энергоснабжения. Роль численной модели в процессе управления нагрузкой кабельного канала. В процессе эксплуатации кабельного канала оператор диспетчерской службы контролирует соответствие существующего режима заданным параметрам, таким как нагрузка на кабельных линиях, рабочая температура кабелей. При изменении загрузки линий вследствие аварийных режимов или по запросу потребителей диспетчер оценивает работоспособность системы и выбирает оперативные воздействия. Использование математической модели процессов тепломассообмена в кабельном канале с целью анализа температурного состояния канала, установившегося в результате изменения загрузки линий, позволяет более точно оценить точки возможных превышений критических температур. На рис. 1 представлена структурная схема системы управления токовой загрузкой кабельного канала с использованием математической модели. При получении новых значений рабочих токов в виде запроса Iзапр оператор вводит данные в математическую модель Iпров с целью оценки температурного состояния системы в условиях измененных нагрузок. При анализе рассчитанных температурных полей Трасч проверяется условие непревышения критических температур. При выполнении данного условия значения новых предельных нагрузок передаются потребителям Iрез, которые устанавливают возможные реальные значения нагрузок на технологическом объекте управления (ТОУ) Iреал, не превышающие вновь заданные. Оператор контролирует фактические нагрузки в системе с помощью датчиков Iфакт. Подробно алгоритм работы оператора с математической моделью, определение оптимальных токовых нагрузок описаны в [9]. Iзапр Iпров Tрасч Iрез Iреал ≤ Iрез Iфакт Потребители ТОУ Оператор Математическая модель Рис. 1. Структурная схема системы управления токовой загрузкой кабельного канала Математическая модель процессов тепломассообмена в кабельном канале. Реализацию математической модели сложных процессов тепломассообмена целесообразно производить с использованием специализированных инженерных пакетов, позволяющих учесть максимальное количество оказывающих влияние факторов [10-17]. Численное моделирование дает возможность исследовать влияние внешних условий, например, таких как снежный покров, толщина и плотность которого могут существенно изменить температурное поле кабельного сооружения [18]. Предложена двухмерная математическая модель процессов теплообмена в подземном кабельном канале, нагруженном неравномерно, имеющем резервные трубы для дополнительной прокладки линий. Кабельный канал представляет собой бетонный монолит с восемнадцатью полиэтиленовыми трубами и проложенными в них кабельными линиями. Используются кабели на напряжение 6 и 35 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена и одной алюминиевой токоведущей жилой. Ниже приведены основные геометрические параметры объекта. Геометрические параметры кабельного канала Глубина залегания канала, м 0,9 Высота бетонного монолита, м 0,955 Ширина бетонного монолита, м 1,480 Диаметр трубы с кабелем на напряжение 6 кВ, м 0,16 Диаметр трубы с кабелем на напряжение 35 кВ, м 0,225 Площадь сечения токопроводящей жилы, мм2 150 Система, описывающая процессы тепломассообмена при протекании электрического тока в кабельных линиях, проложенных в трубах с воздухом, в двумерной задаче включает в себя следующие уравнения (1)-(5): - уравнение движения для воздуха: (1) - уравнение энергии для воздуха: (2) - уравнение неразрывности: (3) - уравнение теплопроводности: (4) - уравнение для мощности внутреннего источника тепла в жиле и экране кабеля: (5) где x, y - декартовы координаты; Ux, Uy - компоненты вектора скорости воздуха; t - температура; Р - отклонения давления воздуха от гироскопического; g - ускорение свободного падения; ρ, μ, λ - плотность, вязкость и теплопроводность материалов; t0 - температура, равная 20 °C; β - температурный коэффициент плотности воздуха; qv - мощность внутреннего источника тепла; I - номинальный ток токопроводящей жилы кабеля; σ - коэффициент удельной электропроводности токопроводящей жилы кабеля; S - площадь сечения жилы. Полная постановка задачи с допущениями и граничными условиями описана в [19]. Полученная задача решалась с помощью инженерного пакета ANSYS. На рис. 2 представлено распределение температуры в поперечном сечении кабельного канала в рабочем режиме. Ниже указана токовая загрузка линий в рабочем режиме. Токовая нагрузка линий в рабочем режиме Номер линии 1 2 6 7 8 12 13 14 15 16 17 18 Рабочий ток, А 160 139 139 124 88 139 140 89 125 108 108 140 Рис. 2. Температурное поле кабельного канала В данном режиме наиболее нагретыми являются линии номер 1, 7, 13 ,15. Температура токопроводящих жил этих линий составляет 70 °С. В данный кабельный канал предполагается добавить двухцепную линию с суммарной токовой нагрузкой 280 А, в рабочем режиме распределенной между двумя линиями. Необходимо определить оптимальное расположение линий, а также оценить возможные аварийные режимы, в которых вся нагрузка будет передаваться по одной линии [20]. Для прокладки вновь вводимых линий были выбраны трубы номер 4 и 5, которые находятся в наилучших температурных условиях. Рассмотрены рабочий режим и аварийный режим отключения линии номер 4 при передаче всей нагрузки по линии 5. Также рассмотрен аварийный режим соседней двухцепной линии при отключении линии номер 12 и передаче всей нагрузки по линии номер 6. На рис. 3 представлены температурные поля участка кабельного канала, соответствующие описанным режимам. Для рассматриваемых кабелей значение рабочей температуры составляет 90 °С на поверхности жилы. а б в Рис. 3. Температурные поля участка канала: а - рабочий режим; б - аварийный режим отключения линии 4; в - аварийный режим отключения линии 4 и 12 Максимальная температура токопроводящих жил в рассмотренных условиях не превысила 86 °С. Температура поверхности жил наиболее разогретых кабельных линий номер 1, 7 и 13 увеличилась на 3 °С, кабельной линии номер 15 - на 6,3 °С. Как показало исследование перспективных режимов работы канала, расположение дополнительной двухцепной линии в трубах 4 и 5 не приводит к превышению рабочих температур жил кабелей сверх допустимых значений. Выводы. Многочисленные исследования численных моделей процессов, протекающих в кабельных каналах, сравнения с натурными экспериментами показывают адекватность получаемых результатов. Использование моделирования процессов тепломассопереноса в кабельных сооружениях помогает обеспечивать допустимые эксплуатационные условия, определять оптимальные нагрузочные режимы, контролировать влияние изменений перетоков. Модели нестационарных режимов позволяют оценить время нагрева кабельных линий в условиях меняющейся нагрузки, в том числе и в аварийных режимах. Численные модели становятся неотъемлемой частью этапов проектирования и эксплуатации кабельных сооружений.

About the authors

N. M Trufanova

Perm National Research Polytechnic University

I. B Kukharchuk

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 45

PDF (Russian) - 29

Refbacks

• There are currently no refbacks.