Оценка теплового режима работы изоляции в 2D-модели звена «кабель 6(10) кВ - грунт» в ANSYS с учетом подвижек грунта и уставок устройств релейной защиты

В условиях эксплуатации влияние на режим работы изоляции кроме режимных параметров оказывают и факторы монтажа трассы кабельной линии, выбора глубины прокладки [1–4].

Проведенный нами ранее анализ напряженно-деформированного состояния и движения грунта, взаимодействующего с кабелем во время весеннего увлажнения и зимнего промерзания, показал возможность формирования пустот, способных стать причиной перегрева участков кабельных линий [3]. К аналогичным выводам привели и практические исследования на опытных и действующих кабельных линиях в грунте.

Для определения возможных подвижек кабеля в грунте была разработана экспериментальная установка в реальных полевых условиях. На специ- ально выделенной площадке специализированной цепной землеройной машиной была прорыта 10метровая траншея глубиной 0,7 м, шириной 200 мм. В кабельную траншею были проложены друг за другом два 4-метровых куска силового кабеля (тип кабеля трехжильный ААШвУ, сечением жил 120 мм2, на напряжение 6 кВ). Один из кусков был проложен непосредственно в землю, а второй – с подушками из просеянного песка (рис. 1, а). В начале траншеи для замера температуры на глубине прокладки кабелей была заложена термопара. Для определения перемещения кабелей в грунте на каждый кабель с двух сторон были установлены указатели перемещения кабеля.

Результаты исследований на сегодняшний день включают в себя ежедневные данные о сме-

а)

Рис. 1. Просадка экспериментального куска КЛ при новой прокладке (а), смещение до 9 см за 45 дней (б), причина: не выполнено хорошее уплотнение грунта, опасный участок по данному фактору, например, после ремонта теплотрассы

б)

щениях кабеля, температуре, влажности воздуха и почвы, начиная с 27 февраля 2007 года.

Анализ диаграмм перемещения позволяет констатировать (рис. 1, б):

• 1.    Кабель, проложенный в песке, углубился до 8,5 см, в грунте смещение составило 3 мм.

• 2.    Процесс углубления в песке происходил в несколько этапов. За первые 4 дня наблюдалась интенсивная просадка кабеля до 3,3 см. Последующие 17 дней марта – период стабилизации с последующим углублением до 6,9 см за последние 11 дней марта (период оттаивания и увлажнения грунта). Дальнейшая просадка кабеля наблюдалась в осенний период 2007 года.

• 3.    В периоды резкого изменения температуры и влажности (до настоящего времени 02.2013 г.) наблюдаются подвижки кабельной линии.

Полученные на сегодняшний день данные свидетельствуют о влиянии на перемещения силового кабеля как температуры грунта, так и его состава. Наиболее напряженными, с точки зрения механического воздействия грунта, участками кабеля являются: участки, проложенные в разных условиях; новые участки, прокладываемые вместе с муфтами; участки кабеля, под которыми производилась подкопка грунта, например для ремонта теплотрассы (рис. 1, б).

Подобная схема исследований была применена и на действующем силовом кабеле марки ААБ сече- нием 3x120 мм2. С 13.07.2007 г. были установлены три датчика перемещения. Первоначальные подвижки кабеля прошли в первые два дня после установки. Они были связаны с процессом уплотнения грунта. Следующий период просадки, который наблюдался в ноябре 2007 года, был обусловлен переходом от положительных к отрицательным температурам в грунте.

Для оценки подвижек, находящихся в работе КЛ на базе кабельных сетей г. Нефтекамска, были так же выбраны пять КЛ. Замеры их подвижек проходили с использованием прибора RIDGID SeekTech SR-20. Сводные результаты за осенневесенний период 2012-2013 г. приведены в табл. 1.

Анализ результатов проведенных исследований показывает, что существуют подвижки кабельных линий в течение годового цикла и необходимость строгого соблюдения правил укладки кабельных линий в грунтовых массивах. Кроме того, можно рекомендовать:

• 1)    проводить анализ температуры, влажности, структуры грунта в течение годового цикла непосредственно в месте прокладки кабельной линии; использовать полученные данные для определения возможных напряженно-деформированных состояний грунтовых массивов, взаимодействующих с кабелем с течением времени по мере нескольких циклов его эксплуатации;

• 2)    для предотвращения опасных механических

Таблица 1

Подвижки действующих КЛ, оценка прибором RIDGID SeekTech SR-20

kJ Й kJ о d> § d> н 4) о о kJ m Просадка грунта,см r'l & s § 22 ц m и 8$ 5з к К н СЧ LT) О «® i о н 2 д Ц н ^ о К —г о “ 22 « kS с й5 с? в &- ^Т Н-Г Ч х 15 с? ^Т Ч X 15 с? В 22 15 1 04.10.2012 +7 63,5 158 139 74 113 116 2 30.10.2012 +2 58,7 158 139 68 112 116 3 08.11.2012 +4 64,2 158 139 70 107 115 4 13.12.2012 –20 32,4 158 139 69 107 117 5 26.12.2012 –15 36,1 158 140 70 107 116 6 10.01.2013 –10 40,4 158 142 70 110 120 7 24.01.2013 –17 56,7 153 149 71 107 117 8 04.02.2013 –9 82,3% 153 149 72 108 118 Движение кабеля 5 10 6 6 5 воздействий мерзлых грунтовых массивов на изоляцию кабеля во время морозного пучения грунта и электродинамических подвижек кабеля в режимах коротких замыканий необходимо прокладывать кабельную линию ниже зоны промерзания;

• 3)    на сложных трассах городских кабельных линий необходимо с учетом количества поворотов и изменений в типе грунта по трассе увеличивать количество компенсирующих участков. Рекомендуем укладывать компенсаторы перед поворотом и после поворота трассы кабельной линии; перед и после пересечения кабелем автомобильной дороги для снижения вибрационных механических воздействий; на пограничных участках с различными характеристиками грунта;

• 4)    на трассах кабельных линий, для которых характерны подвижки грунта в зимних условиях, можно рекомендовать прокладывать компенсаторы в специальных пустых лотках, однако необходимо учитывать тепловой режим работы кабеля;

• 5)    улучшение условий утрамбовки грунта при работе по ремонту городских коммуникаций ниже трассы КЛ с выдержкой по времени засыпки трассы до нескольких дней, либо разнесение трасс КЛ и теплотрасс с увеличением расстояния между ними.

Вопрос определения температуры нагрева изоляции кабеля в условиях эксплуатации является актуальной и сложной задачей. Для практической оценки нагрева изоляции кабелей электротехнический персонал может использовать замеры температуры с применением термопар, установленных в характерных точках грунта вблизи трассы кабеля, что не дает полной тепловой картины. Разрабатываются способы с использованием оптоволоконных каналов, встроенных в структуру кабеля. Также может использоваться классический тепловой расчет по тепловой схеме замещения, в которой участвуют тепловые сопротивления изоляции, защитных покровов и окружающей среды.

Оценку теплового режима работы изоляции силовых кабелей в процессе эксплуатации с учетом характерных режимных (установившиеся режимы и режимы коротких замыканий) и эксплуатационных условий, например, локальных пустот, образующихся при подвижках кабеля и грунта, приводящих к локальному перегреву отдельных участков кабеля, можно проводить с использованием математического моделирования в программном продукте ANSYS, основанном на методе конечных элементов. ANSYS поддерживает основные виды теплопередачи: теплопроводность, конвекцию, излучение.

Для анализа перегрева изоляции в пустотах, образовавшихся при подвижках кабеля и грунта, в программном пакете ANSYS Multiphysics, нами была разработана математическая модель звена «кабельная линия – грунт» с учетом геометрических и конструкционных особенностей силовых кабелей марки ААШвУ – 3×120 – 10 кВ и марки 1×АПвП – 500 – 10 кВ, рассмотрены рабочие режимы и режимы коротких замыканий. Задача решена в двухмерной постановке, рис. 2. Сводные результаты расчета приведены в табл. 2.

Анализ полученных картин распределения температур в звене «кабельная линия – грунт» показал, что в пустотах, образовавшихся во влажном и мерзлом грунтах при подвижках грунта и участков кабельной линии, условия отвода тепла от кабельной линии значительно ухудшаются (рис. 2). Так, в слоях фазной и поясной изоляции у жилы, прилегающей к пустоте при рассмотренных в модели условиях, температура возрастает на 9–14 %, что необходимо учитывать при проектировании трасс кабельных линий и проведении теплового расчета. Согласно правилу Монтзингера [5] экспериментально установлено, что для органической изоляции скорость химических реакций процессов разложения обычно возрастает примерно вдвое с увеличением температуры на каждые 10 °С.

а)

б)

Рис. 2. Исследование теплового режима в звене «кабельная линия – грунт»

в программном пакете ANSYS Multiphysics: а – распределение температур без наличия пустот; б – распределение температур с образованием пустоты, заполненной воздухом

Таблица 2

Изменение температур в слоях кабеля и прилегающего к нему грунта

Слой	Температура, °С
	Случай без наличия пустот (рис. 2, а)	Случай с образованием пустоты, заполненной воздухом (рис. 2, б)
		Левая жила	Правая жила
Межфазное заполнение	77	86
Слой фазной изоляции	77	86	86
Алюминиевая жила	77	86	86
Слой фазной изоляции	от 67 до 77	от 77 до 86	от 77 до 86
Поясная изоляция	от 64 до 67	от 73 до 77	от 73 до 77
Алюминиевая оболочка	64	73	73
Подушка из битума	от 58 до 64	от 72 до 73	от 65 до 73
ПВХ шланг	от 55 до 58	от 71 до 72	от 60 до 65
Пустота	–	от 42 до 71	–
Грунтовый слой – 4,5 см от поверхности кабеля	от 44 до 55	от 38 до 71	от 47 до 60

Для оценки перегрева изоляции КЛ в зависимости от размеров и вида пустот, которые могут образовываться при подвижках КЛ и от электродинамических воздействий при КЗ, были проведены исследования в разработанной модели трехжильного КЛ в ANSYS с учетом уставок устройств релейной защиты и автоматики [4]. Рассмотрено два вида пустоты: 1) круговая; 2) пустота размером 2/3 окружности. Рабочий режим проанализирован с током нагрузки 390 А, длительность от 0 до 4500 с, далее идет режим двухфазного КЗ с током 9000 А, длительностью 0,7 с, после чего до 9000 с рассматривается процесс остывания изоляции. На рис. 3 приведены картины температуры изоляции КЛ для времени 4500,7 с (сразу после режима КЗ) с круговой пустотой и пустотой 2/3 окружности.

Проведенные исследования по результатам моделирования в ANSYS по приросту температуры в изоляции КЛ от размеров пустоты, которая может образовываться как при подвижках грунта, так и при КЗ от действия электродинамических сил, представлены в виде графиков на рис. 4.

Установленные зависимости рис. 4 можно описать степенным трендом:

Пр T (%) = k ■ ( R пус ) n ,                        (1)

где Пр _T (%) – прирост температуры изоляции в зависимости от размеров пустоты R _пус ; R _пус – размер пустоты по границе от КЛ до дальней стороны пустоты в мм; k , n – постоянные коэффициенты, определяемые типом пустоты, режимом работы КЛ. Например, для условий рабочего режима (2/3 пустоты): k = 13, n = 0,31.

Классическая тепловая схема замещения, применяемая для расчета длительно допустимых токов для эксплуатируемых КЛ, приведена на рис. 5. На рис. 6 приведена рекомендованная по результатам вышеприведенных исследований схема замещения, учитывающая образование пустот.

а)

б)

Рис. 3. Динамика температурного режима в изоляции трехжильной КЛ, рабочий режим 0-4500 с (390 А)+режим КЗ 4500-4500,8 (9000А): а – круговая пустота 20 мм; б – пустота 2/3 окружности 20 мм

Рис. 4. Прирост температуры в изоляции (%) трехжильного КЛ от размеров пустоты (мм) и режима работы (рабочий режим, режим КЗ)

T _ж1 I ж1 о

из1 Δ об1

a—!-4ZZH

RR tиз1              tп1

T ж2

ΔP ж2

R tиз2

R tп2

T .

T _ж3 о

Δ P

I ж3

об3

T

R tиз3

R tп3

R t03

Рис. 5.Тепловая схема замещения для расчета длительно допустимых токов КЛ, рекомендованная ранее

Рис. 6.Тепловая схема замещения для расчета длительно допустимых токов КЛ, рекомендуемая по результатам проведенных исследований с учетом вероятных пустот

Уравнение теплового баланса для 1, 2 жилы схемы рис. 6 можно записать в следующем виде:

Т ж1 - T o = АР _К 1 • ( R из1 + R tni + R tвкл1 + R toi ) +

+A P _a1 • ( R 31 + R tni + R tвкл1 + R toi ) +

+A P об1 • ( R tni + R ^i + R toi ) .          (2)

Для 3 жилы:

Т жз - T o = A P жз • ( R • + R tn3 + R t03 ) + +A P ,33 • ( R изз + R tn3 + R to3 ) + +A P >63 • ( R tn3 + R to3 ) ,              (3)

где T _ж – температура жилы; T ₀ – температура окружающей среды; R _из – термическое сопротивление изоляции кабеля; R _tп – термическое сопротивление защитных покровов; R _tвкл – термическое сопротивление включений (обусловленное образованием рассмотренных выше пустот); R _t0 – термическое сопротивление окружающей среды; A P K - мощность, выделяемая в жиле; A P , ₃ - диэлектрические потери в изоляции; АР_об - мощность от нагрева защитной оболочки КЛ.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что в условиях эксплуатации наблюдаются подвижки кабеля, обусловленные либо подвижками грунта, либо подвижками кабеля при КЗ от электродинамических взаимодействий, приводящие к образованию пустот во влажном и мерзлом грунтах. В зависимости от размеров пустоты и режима работы КЛ (рабочий, режим короткого замыкания) возникает перегрев изоляции до 40 % при круговой пустоте размером с диаметр КЛ. При наиболее вероятной пустоте в 2/3 окружности с размером, равным диаметру кабеля – до 15 % , что не учитывается на сегодняшний день при монтаже трасс КЛ, расчете длительно допустимого тока нагрузки и оценке ресурса изоляции.