Full Text

Для прокладки кабелей на большие расстояния используют не одну, а несколько строительных длин, которые соединяются между собой кабельной муфтой. Нужно отметить, что многочисленные отказы при эксплуатации кабелей связаны с некачественным монтажом муфт, с повышенным электрическим сопротивлением в месте соединения жил. Известно, что допустимые максимальные токи определяются условиями работы, когда максимальная температура жилы не превысит допустимого значения [1, 2]. Математическая модель, описывающая процессы теплопереноса в кабельной линии и муфте, основанная на законе сохранения энергии, в дифференциальной постановке имеет следующий вид [3-5, 6,7]: (1) где - плотность, теплоемкость, коэффициент теплопроводности жилы, изоляции и муфты, кг/м3, Дж/(кг·С), В/(м·С); - температура, ° С; qv - мощность внутренних источников тепла в токопроводящей жиле, в уравнении для изоляции данная составляющая отсутствует Вт/м3; t - время процесса, с. При этом сделано следующее допущение: - теплофизические свойства материалов постоянны; - исследуется только половина муфты; - потери в металлическом экране не учитываются. Граничные условия задаем на поверхностях геометрии: - на твердых границах контакта разнородных сред: жила - изоляция; жила - муфта; задаются условия 4-го рода и равенство температур: · на поверхности изоляции и муфты задается граничное условие конвективного теплообмена. Задаются: a - коэффициент теплоотдачи с поверхности муфты и изоляции в окружающую среду и Тср - температура окружающей среды, Тср = 18 °С; · на торцевой стороне кабеля задаются адиабатические условия по температуре. В исследуемой модели использовались геометрические размеры и характеристики материала силового кабеля марки ПвП-1×300 на напряжение 10 кВ (рис. 1) и соединительной муфты 1ПСтО-10 (рис. 2) [8-10, 11]. Теплофизические характеристики материалов приведены в табл. 1. 3 2 1 4 5 R5,67 R5,92 R7,67 R7,92 R7,92 R10,2 R8,95 Рис. 1. Конструкция кабеля ПвП-1х300-10кВ и его радиальные размеры: 1 - токопроводящая жила; 2 - экраны из полупроводящего полиэтилена; 3 - изоляция из сшитого полиэтилена; 4 - экран из медных проволок; 5 - оболочка из полиэтилена Конструктивно муфта содержит те же элементы, что и присоединяемый к ней кабель. Теплофизические характеристики материалов, используемых в модели, представлены в табл. 1. Таблица 1 Теплофизические характеристики материалов Элемент Материал Плотность ρ, кг/м3 Теплопроводность λ, Вт/м·К Теплоемкость С, Дж/кг·К Конструкция кабеля Жила, экран Медь 8978 387,6 381 Иоляция, оболочка Полиэтилен 950 2100 0,34 Окружающая среда Массив земли Обчный грунт 2000 0,5 2100 Массив земли Засыпочный грунт 2000 2500 0,833 Окружающая среда представляет собой прямоугольный массив с длиной 1500 м, высотой 23 м и толщиной 40 м. Глубина прокладки кабеля равна 3 м (расстояние от оси кабеля до верхней стороны окружающей земли) [12-15]. Реализация разработанной математической модели осуществлялась методом конечных элементов в среде ANSYS. Дискретный аналог модели выстроен с помощью блочной структуры, которая в дальнейшем была разбита на сетку [16-19]. Последовательность действий приведена на рис. 2 и 3. Рис. 2. Блочная структура Рис. 3. Сетка, построенная на блочной структуре В результате численной реализации предложенной математической модели были получены поля температур в кабельной линии и муфте при различных условиях прокладки [20]. На рис. 4-6 представлено распределение температуры в кабельной муфте и массиве земли. Из рисунков видно, что температура в области муфты превышает допустимую на 1 град. Рис. 4. Распределение температурного поля вдоль кабеля, муфты и земляного массива Рис. 5. Распределение температуры в поперечном сечении муфты и земляного массива Превышение температуры составляет 1 град, допустимый ток кабеля при этом 774 А, при снижении тока до 770 А температура не превышает допустимую. Рис. 6. Значения температуры внутренней поверхности изоляции в зависимости от длины исследуемой модели при прокладке в земле В табл. 2 представлены результаты допустимых и сниженных токов в зависимости от окружающей среды. Таблица 2 Результаты допустимых и сниженных токов в зависимости от окружающей среды Температура, ͦ С I1, А I2, А %сн -20 940 935 0,5 -10 902 897,5 0,5 0 861 857 0,5 10 818 814 0,5 20 774 770 0,5 Замечание: здесь I1 - допустимый ток, А; I2 - ток, сниженный из-за перегрева кабеля в области соединения муфты; %сн - процент снижения тока с I1 до I2. При монтаже кабельной соединительной муфты в специальных кабельных колодцах учитывается движение воздуха при скорости 0,9 м/с. На рис. 7-9 представлено распределение полей температур и скоростей при использовании воздуха в качестве окружающей среды [21-24]. Рис. 7. Распределение скоростей потоков воздуха Рис. 8. Распределение скоростей в продольном сечении кабеля и соединительной муфты Рис. 9. Значения температуры внутренней поверхности изоляции в зависимости от длины исследуемой модели при нахождении муфты в кабельном колодце Из рис. 7-9 следует, что поверхность муфты охлаждается быстрее поверхности кабеля. Величина допустимого тока, проходящего через кабель, составляет 940 А, при этом необходимости снижать его нет. В сравнении с результатами исследований охлаждения муфты кабеля в массиве земли данное значение тока ниже, это связано с низкой скоростью движения воздуха. Выводы. Превышение температуры в области муфты вызвано большим тепловым сопротивлением конструкции муфты в сравнении с термическим сопротивлением кабеля. При прокладке кабеля с соединительной муфтой необходимо учитывать этот факт и рассчитывать допустимые токи и передаваемую мощность.

About the authors

A. S Zykov

Perm National Research Polytechnic University

N. M Trufanova

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 40

PDF (Russian) - 34

Refbacks

• There are currently no refbacks.