Full Text

Подземное расположение кабельных линий широко используется в районах городской застройки. Кабели могут быть расположены непосредственно в земле, в траншеях, а также в кабельных блоках, трубах и лотках. При расчете нагрузочных режимов приходится сталкиваться с тем, что стандарт по расчету номинальной токовой нагрузки не учитывает все возможные варианты конструкции кабельных каналов. Следствием этого является неоптимальное использование пропускной способности кабельных линий. Тепловой анализ кабельного канала является важным аспектом проектирования систем электроснабжения. Работы [1-4] посвящены определению предельно допустимых токов, сечений экранов и эксплуатационных характеристик, а также выбору оптимальных вариантов прокладки кабелей в условиях рабочего режима. В работах [5, 6] рассматривается тепловой режим работы линии при перегрузке и коротком замыкании. Нестационарную задачу тепломассопереноса исследуют в работах [7-9]. В работах [10, 11] рассмотрен аналитический подход к расчету передаваемой мощности кабелей в условиях циклического изменения нагрузки. На распределение температуры в кабельной линии и, как следствие, на нагрузочную способность кабелей оказывают существенное влияние свойства окружающей среды. Работы [12-15] посвящены исследованию влияния на температурный режим кабельной линии теплопроводности и влажности окружающего грунта и засыпки. В работах [16, 17] рассматриваются задачи тепломассопереноса в кабельных каналах с учетом конвекции и излучения с поверхности земли, а также нагрева почвы солнцем. Работы [18, 19] посвящены анализу процесса тепломассопереноса в трубе с кабелем без вентиляции и с ней. При определении токовой нагрузки кабельных линий необходимо учитывать множество факторов для обеспечения безаварийных условий работы. Численное моделирование различных режимов эксплуатации кабельных линий позволяет определить участки, на которых могут возникать повышенные температуры. В данной работе рассматривается подземный кабельный канал, состоящий из 18 кабельных линий, проложенных в полиэтиленовых трубах. Каждая линия состоит из трех кабелей АПвВнг-LS с сечением жилы 150 мм2, расположенных треугольником. На рис. 1 представлено схематичное изображение кабельного канала: линии 1-12 - на напряжение 6 кВ, линии 13-18 - на напряжение 35 кВ. Рис. 1. Схема кабельного канала Максимально допустимая рабочая температура для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена составляет 90°С [20]. Поскольку максимальная температура изоляции достигается в месте контакта с поверхностью жилы, в качестве точек для контроля нагрева были выбраны поверхности жил кабелей. Математическая модель тепломассообмена основывается на законах сохранения массы, количества движения и энергии. При расчете процессов тепломассопереноса сделаны следующие допущения: задача стационарная; на границах раздела разнородных сред реализуется условие идеального теплового контакта; реализуется ламинарный режим движения воздуха; воздух в трубе удовлетворяет приближению Буссинеска; свойства материалов постоянны. С учетом сделанных допущений система дифференциальных уравнений имеет вид: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 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 воздуха; ρ0 - плотность воздуха при температуре t0 = 20° C; qv - мощность внутреннего источника тепла; β - температурный коэффициент плотности воздуха; λк - теплопроводность изоляции кабеля; λi - теплопроводность материалов: земля, труба. Мощность внутренних источников тепла определяется согласно закону Джоуля-Ленца по формуле: (8) где I1 - номинальный ток токопроводящей жилы кабеля; σ1 - коэффициент удельной электропроводности токопроводящей жилы кабеля. Согласно ГОСТ Р МЭК 60278-1-1-2009 при расчете токовой нагрузки для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6 кВ нет необходимости учитывать диэлектрические потери в изоляции. Однако необходимо учитывать потери в металлическом экране, обусловленные наведением токов. Поставленная задача решалась методом конечных объемов в инженерном пакете Fluent. На рис. 2 представлены полученные зависимости максимальной температуры на поверхности жилы от величины тока с учетом и без учета потерь тепла в медном экране. Рис. 2. Зависимости максимальных температур на жилах кабелей от тока Из полученных данных видно, что с ростом тока влияние тепловых потерь в металлическом экране увеличивается. При определении номинальных токовых нагрузок необходимо учитывать тепловыделения в экранах для обеспечения допустимых температур в изоляции кабеля. Конструкция кабеля АПвВнг-LS состоит из множества слоев [21]. При численном моделировании сложных кабельных каналов, состоящих из большого числа кабельных линий, целесообразным является замена многослойной конструкции кабеля на эквивалентый слой с усредненными параметрами. Выражения для определения эквивалентных параметров имеют следующий вид: (9) где i - номер слоя, di - диаметр i-го слоя, λi, сi, ρi - теплопроводность, удельная теплоемкость, плотность i-го слоя. Поскольку в эквивалентном слое отсутствует экран, мощность тепловыделений экрана необходимо добавить к мощности тепловыделений жилы. Поправочный коэффициент для определения общей тепловой мощности (экран и жила) определяется из соотношения площадей сечения жилы и экрана: В табл. 1 представлены значения максимальной температуры в кабельном канале для различной токовой нагрузки при рассмотрении многослойной конструкции кабеля и кабеля с эквивалентным слоем. Таблица 1 Значения максимальной температуры Ток, А Температура на жиле при многослойной конструкции, °С Температура на жиле при эквивалентном слое, °С 50 23,9 24 100 34,6 35,2 150 52,2 53 200 73,8 76 На рис. 3 представлены температурные поля в кабельной линии при использовании многослойной конструкции и эквивалентного слоя. Рис. 3. Температурные поля в кабельной линии при многослойной структуре и эквивалентном слое Как видно из полученных результатов, значения максимальной температуры и распределение температуры по кабельной линии для рассматриваемых вариантов расчета согласуются достаточно хорошо. Следовательно, можно сделать вывод о допустимости использования конструкции с эквивалентным слоем для построения расчетных областей кабельных каналов. При расчете распределения температур в канале для различных режимов нагрузки необходимо учитывать, что согласно «Правилам устройства электроустановок» (7-е изд.) каждый кабельный канал должен иметь до 15 % резервных линий [22]. В кабельном канале с количеством линий, равным 18, под резервные необходимо определить 2 кабельные линии. Расположение резервных линий не регламентируется. Целесообразно оставлять ненагруженными линии, находящиеся в худших температурных условиях. На рис. 4 представлено температурное поле кабельного канала при условии загрузки всех кабельных линий. Рис. 4. Температурное поле кабельного канала при условии загрузки всех кабельных линий Как видно из результатов, самыми нагретыми являются кабельные линии, расположенные в центре канала. Рассмотрены два варианта отключения линий: 2 центральные линии в среднем ряду и 2 центральные линии в нижнем ряду. На рис. 5 и 6 представлены температурные поля для данных вариантов. Рис. 5. Температурное поле канала при отключении резервных линий в среднем ряду Рис. 6. Температурное поле канала при отключении резервных линий в нижнем ряду Максимальная температура в первом случае составила 82° С, во втором 85° С. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о целесообразности выбора в качестве резервных центральные линии среднего ряда канала. С учетом сделанных расчетов были подобраны максимальные нагрузочные режимы для каждой кабельной линии, при которых не превышаются предельно допустимые температуры. На рис. 7 представлено температурное поле кабельного канала при максимальной загрузке всех рабочих линий. Рис. 7. Температурное поле кабельного канала при максимально допустимой загрузке всех рабочих линий В табл. 2 представлены полученные результаты максимально допустимых значений перетока мощности по каждой линии и суммарная мощность, передаваемая по каналу. Таблица 2 Передаваемая мощность Номер кабельной линии 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Мощность, кВА 1370,2 1141,8 830 830 1141,8 1370,2 799 830,4 0 Номер кабельной линии 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Мощность, кВА 0 830,4 799 6539 4844 4481 4481 4844 6539 Суммарная передаваемая мощность, МВА 41,67 Выполненные расчеты показывают целесообразность использования моделирования работы кабельных каналов с целью определения условий эксплуатации для различных режимов нагрузки. Полученные результаты могут быть использованы для систем автоматизации и контроля работы кабельных линий.

About the authors

N. M Trufanova

Perm National Research Polytechnic University

I. B Kukharchuk

Perm National Research Polytechnic University

N. V Feofilova

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 25

PDF (Russian) - 8

Refbacks

• There are currently no refbacks.