МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ И ОЦЕНКА ТЕМПОВ СТАРЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

​METHOD OF CALCULATION OF THE TEMPERATURE PARAMETERS OF CABLE LINES AND ASSESSMENT OF INSULATION AGING RATES

Ivan Tsitson

student, Department of Power supply of industrial enterprises, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

Gracheva Elena Ivanovna

Scientific supervisor, Doctor of Technical Sciences, Professor, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Данная статья содержит методику расчета температуры кабелей и осуществление оценки теплового воздействия на темпы старения изоляции.

ABSTRACT

This article contains a methodology for calculating the temperature of cables and the implementation of an assessment of the thermal impact on the rate of aging of insulation.

Ключевые слова: кабельные линии, температурные параметры, старение изоляции.

Keywords: cable lines, temperature parameters, insulation aging.

Кабельные линии являются одним из ключевых звеньев в электроэнергетической отрасли. Правильный выбор параметров кабеля, способов прокладки и сечения являются одними из самых важных задач при проектировании системы электроснабжения. Но несмотря на это, зачастую, кабельные линии не выдерживают полный срок службы, который заявлен производителем. В данной статье будет представлен расчет температурных параметров кабельных линий, а также определение темпов старения изоляции, которые приводят к локальным повреждениям в следствие температурных перегревов.

Проведение расчетов начинаем с составления тепловой схемы замещения кабеля с обозначением термических сопротивлений. Для того, чтобы после проведения расчетов можно было составить сравнительную характеристику результатов, все кабели будут трехжильными и сечением 70мм², что позволит нам сделать выводы по поводу способов прокладки и загрузки линий.

Рисунок 1. Тепловая схема трехжильного кабеля

P-потери в жилах кабеля;

T₁- тепловое сопротивление между одной жилой и оболочкой;

T₂-Тепловое сопротивление между оболочкой и броней;

T₃-Тепловое сопротивление наружного защитного покрытия;

T₄-Тепловое сопротивление среды, окружающей кабелей.

В качестве примера, расчет температур покажем для кабеля марки ААШв-3x-70 с длиной 1000м.

d_а – наружный диаметр, мм;

r₁ – радиус окружности, описанной вокруг жил, мм;

ρ_т – удельное тепловое сопротивление, К·м/Вт;

F₂-геометрический коэффициент.

T₂=0, так как отсутствует броня.

t₃ – толщина защитного покрытия, мм;

Для определения T₄ будут использованы разные формулы, в зависимости от способа прокладки. При прокладке на воздухе:

Δt_п – разность температур поверхности кабеля и окружающей среды, К;

Z, E, g – константы для поверхностей кабелей.

При прокладке в траншее:

L – глубина прокладки, мм.

Для трехжильного кабеля температура жил в градусах определяется как:

t_окр.1. – температура окружающей среды, °C.

После проведения расчетов составляем сравнительную таблицу результатов:

Таблица 1.

Сводная таблица по расчетам температурных параметров кабелей

Примечание: Данные расчеты были проведены с коэффициентами загрузок для алюминиевых кабелей 0,88; для медных 0,7.

Таким образом можно сделать вывод, что температура жил кабелей в большей мере зависит от способа прокладки, коэффициента загрузки кабельной линии и температуры окружающей среды. Геометрия кабеля и тип изоляции жил играют наименьшую роль в термическом процессе.

Для визуализации расчетов и определения теплового распределения внутри кабеля воспользуемся программным комплексом Elcut. Данное программное обеспечение позволит визуально оценить распределение температуры внутри кабеля на основании предыдущих расчетов и оценить степень нагрева оболочки кабельной линии.

Рисунок 2. Диаграмма термических процессов внутри кабеля при температуре окружающей среды 20-25 °C при прокладке на воздухе

Рисунок 3. Диаграмма термических процессов внутри кабеля при температуре окружающей среды 20-25 °C при прокладке в траншее

Можно сделать вывод, что распределение температуры от жилы к оболочке происходит быстрее при прокладке на воздухе, так как в данном случае не нарушен теплообмен с окружающей средой.

Для расчета темпов старения изоляции воспользуемся законом Аррениуса, где ресурсы t_р1 и t_р2 при температурах T₁ и T₂ связаны соответственно:

Для примера рассмотрим старение для кабеля с ПВХ изоляцией для длительно допустимой температуры в нормальном режиме T₁=70°C и температуры в процессе эксплуатации T₂=75°C:

Таким образом, при длительной работе кабеля (более 4 часов непрерывной работы в сутки) при температуре 75°C реакция термической деструкции в полиэтиленовой изоляции протекает в 1,37 раз быстрее, чем при температуре 70°C.

Нормативный срок службы кабеля составляет 30 лет или 262800 часов. Учитывая, что при перегрузке КЛ изоляция из полиэтилена подвергается воздействию повышенной температуры 75°C, срок службы кабеля снижается на 27%.

Для точности проводимых расчетов составим график и проведем аппроксимацию функции, что позволит получить модель, которая будет математическим языком описывать процесс темпов старения изоляции.

Рисунок 4. Темпы старения изоляции от повышенных температурных воздействий

Полиноминальное уравнение, которое описывает процесс:

y=-0,0286x²+1,6922x-0,6206

Проведем аналогичные расчеты для кабелей с другими типами изоляции и занесем результаты в сводную таблицу. С помощью данного уравнения можно определить срок службы изоляции кабеля зная разницу превышения температуры.

Таблица 2.

Сводная таблица по расчетам срока службы изоляции кабелей

Таким образом можно сделать вывод, что при превышении предельно-допустимой температуры изоляции даже на несколько градусов, темпы старения изоляции увеличиваются.

Как итог, в данной статье была приведена методика расчета температурных показателей кабельных линий при различных способах прокладки, а также осуществлен расчет темпов старения изоляции и представлена модель, которая описывается полиномиальным уравнением и позволяет определить срок службы кабеля при различных температурных воздействиях.

Список литературы:

1. С.Д. Холодный, Э.Т. Ларина, В.М. Леонов. Конструирование изоляции кабельных изделий. Учебное пособие для вузов. - М.: МЭИ, 1988г., 59с.
2. ГОСТ Р МЭК 60287-2009 «Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки».
3. Основы кабельной техники. Под редакцией И.Б.Пашкова. Изд. 3-е, с дополнениями. М.: 2008.
4. Титков В. В. К оценке теплового режима трехфазной линии из СПЭ-кабеля // КАБЕЛЬ-News. № 10.
5. Ковригин Л. А. и др. Расчет температурных полей и токовых нагрузок кабелей в ANSYS // КАБЕЛЬ-News. № 4.