Влияние формирования сухих участков в зонах прохождения кабельных линий
 
Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Влияние формирования сухих участков в зонах прохождения кабельных линий

Известно, что на нагрузку подземных распределительных кабелей влияют различные факторы: температура окружающей среды, глубина залегания кабелей, количество параллельных цепей кабелей и термическое удельное сопротивление почвы. Одним из важнейших и часто игнорируемых факторов является формирование сухих зон вокруг подземных кабелей под действием нагрузок. Сухие зоны обычно формируются вокруг подземных кабелей под влиянием нагрузок вследствие движения воды в почве. В данной работе проводились исследования влияния формирования сухих зон на пропускную способность по току подземных кабелей. Будет предложен и рассчитан коэффициент снижения номинальных параметров вследствие формирования сухих зон вокруг подземных кабелей для различных типов природных засыпных грунтов. В качестве ссылки будет использоваться стандарт МЭК 60287-1-3. Для изучения явления формирования сухих зон в различных типах грунтов был проведён ряд опытных работ.

Согласно стандарту МЭК 60287-1-3 [1] токовая нагрузка проложенных в земле кабелей определяется характеристиками почвы и свойствами кабелей. В стандарте указано, что удельное тепловое сопротивление грунта варьируется от 0,5 до 1,2°C•м/Вт, но тепло, рассеиваемое кабелем под влиянием нагрузки, увеличивает тепловое сопротивление грунта, что может привести к отказу кабеля по причине нарушения теплового режима и температурной нестабильности грунта вокруг кабеля [2, 3]. Именно поэтому при проектировании кабельной распределительной сети необходимо учитывать коэффициент снижения номинальных параметров кабеля вследствие формирования сухих зон. Определение токовых нагрузок подземных кабелей на основании постоянных значений теплопроводности почвы производилось несколькими методами [4—7]. Многие исследователи предлагают различные математические модели для изучения явления высыхания грунта вокруг подземных силовых кабелей [8—14]. В данной работе на основе стандарта МЭК 60287-1-3 рассчитан коэффициент снижения номинальных параметров с учётом формирования сухих зон. Здесь также приводятся данные экспериментальной работы, проведённой на различных типах грунтов с целью исследования явления формирования сухих зон под нагрузкой. Кабель под нагрузкой был смоделирован отдельным источником тепла.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

1. Образцы грунта, используемые при испытаниях

Для изучения формирования сухих зон при различных условиях нагрузки были проведены эксперименты с различными типами грунта. Во время проведения экспериментов по изучению явления осушения и тепловых характеристик грунта вокруг силовых кабелей были исследованы шесть типов почвы. По своему составу эти почвы могут классифицироваться, как показано в табл. 1.


2. Тепловые испытания по изучению явления высыхания песчаного грунта

Экспериментальная установка. На рис. 1 показана экспериментальная установка, используемая для исследований. Образец для исследований помещается в цилиндр диаметром 100 мм. Высота образца грунта — 100 мм. В верхнюю часть в направлении сверху вниз вводится тепловой поток заданной величины; свойства этого потока измеряются при помощи датчика теплового потока. Нижняя часть образца находится в контакте с пластиной из пористого стекла (диаметр пор — 5 мм). Эта фильтровальная пластина приклеена к сосуду из прозрачной пластмассы, полностью наполненному водой; сосуд соединён с уравнительной склянкой при помощи гибкого патрубка, уровень воды в уравнительной склянке выступает в качестве искусственного зеркала грунтовых вод. Цилиндр с образцом загерметизирован по верхней стенке уровня изоляции при помощи кольцеобразного уплотнения. При такой компоновке можно регулировать влагу и водосодержащие компоненты. Для получения возможности измерения распределения температуры в различных точках образца грунта по его оси установлено несколько термопар.

Результаты испытаний. На рис. 2—7 показано распределение температуры в различных точках образцов грунта в зависимости от расстояния (песок 1, песок 2, песок 3, песок 4, илистый песок и глинистоилистый песок). Испытуемые образцы нагревались в установившемся режиме при плотности теплового потока Qh и сосущей силы pf = , и, как показано на рисунках, зависимость между расстоянием и временем выражена двумя кривыми, т.е. существуют две зоны. Зона 1 вблизи источника нагрева представляет собой кабель и является зоной высыхания, и зона 2, которая обычно берёт начало в конце зоны 1 и известна как зона влажности. Прерывистость кривых означает раздел между зонами высыхания и увлажнения. Было также замечено, что уклон каждой зоны означает повышение термического сопротивления, которое можно рассчитать следующим образом [1]:

где: dT/dZ — перепад температуры, °C/м;
σ — удельное сопротивление грунта, °C•м/Вт и
Qh — плотность потока нагрева, Вт/м2.

Скорость формирования сухой зоны можно рассчитать при помощи следующего соотношения:


(X1 — X2) / (t1 — t2) = скорость формирования зоны высыхания X1> X2,    (2)


где: X1 — положение зоны высыхания в любой точке, зарегистрированное за время t1, а X2 — положение зоны высыхания в любой точке за время t2.

В табл. 2 показано удельное тепловое сопротивление различных типов грунта при испытательной нагрузке 728 Вт/м2 и сосущей силе pf = . Из табл. 2 видно, что зона высыхания в песке 1 начала формироваться после 3 часов, в песке 2 — после 3,5 часа, в песке 3 — после 2 часов, в песке 4 — после 2,7 часа, в илистом песке — после 4 часов и в глинистоилистом песке — после 3 часов. Окончательно зоны высыхания достигли стабильного состояния по истечении 24—48 часов в зависимости от типа испытуемого грунта. Также было отмечено, что интенсивность формирования зоны высыхания с течением времени падает по достижении небольшого стабильного значения. Но кроме этого, было замечено, что время и скорость формирования зоны высыхания зависят от величины нагрузки Вт/м2 и значения pf.


Коэффициент снижения номинальных параметров вследствие формирования зоны высыхания


Коэффициент снижения номинальных параметров означает соотношение между допустимой токовой нагрузкой кабеля и формированием зоны высыхания и допустимой токовой нагрузкой при условии, что формирования зоны высыхания не происходит. В стандарте МЭК 60287-1-3 даётся формула расчёта токовой нагрузки при формировании зоны высыхания. Для использования этой формулы необходимо знать зависимость между сопротивлениями сухой и влажной зон засыпного грунта (υ) и разность между критической температурой границы раздела между влажной зоной и зоной высыхания Cо и температурой окружающей среды (θxθa). В табл. 3 приведены эти значения для испытуемого грунта при условии, что Qh равно 728 Вт/м2. Во время испытаний значение Qh варьировалось от 468 до 344 Вт/м2 соответственно, но было отмечено, что значительных изменений (θxθa), а также υ не происходило.

По результатам большого количества испытаний, проведённых на различных образцах грунта, используемого в качестве засыпного материала, было установлено, что критическая температура формирования зоны высыхания зависит от компонентов грунта и не зависит от нагрузки кабеля. Кроме того, соотношение между тепловым сопротивлением влажной и сухой зон зависит от типа грунта и не зависит от нагрузки кабеля. Также было отмечено, что количество времени, необходимое для формирования зоны высыхания вокруг проложенного под землей кабеля, зависит от нагрузки кабеля, типа грунта и его влагосодержания. Допустимая токовая нагрузка кабеля может быть рассчитана по уравнениям стандарта МЭК 60287-1-3 без использования значения формирования зоны высыхания и с применением значения этой зоны для различных распределительных кабелей. Уравнения стандарта МЭК 60287-1-3 представлены ниже. Допустимая токовая нагрузка подземного кабеля следующая:

где: Δθ = (θсθa) — разность между температурой жилы θс и температурой ?а окружающей среды, °C;
n — количество несущих нагрузку жил кабеля (они одного сечения и несут одинаковую нагрузку);
Wd — диэлектрические потери на единицу длины для оболочки пофазных жил;
Rac — сопротивление жилы переменному току при максимальной рабочей температуре, °С/м;
T1 — тепловое сопротивление на единицу длины жилы между проводником и оболочкой, °C•м/Вт;
Т2 — тепловое сопротивление на единицу длины подушки между оболочкой и броней, °C•м/Вт;
Т3 — тепловое сопротивление на единицу длины внешнего обслуживания кабеля, °C•м/Вт;
Т4 — тепловое сопротивление на единицу длины между поверхностью кабеля и прилегающим грунтом, °C•м/Вт;
λ1 — соотношение потерь в металлической оболочке к общим потерям в жилах кабеля;
λ2 — соотношение потерь в броне к общим потерям всех жил кабеля.


Таким образом, преобразованное уравнение будет иметь следующий вид:

где: Δθ = (θхθa) — разность между критической температурой и температурой окружающей среды, °C;
υ — соотношение между тепловыми сопротивлениями (сухой и влажной зон);
(θхθa) и υ взяты из таблицы 3 для различных типов грунта с их тепловым сопротивлением, нанесённым на графики на рисунках 2—7, и представлены в таблице 2.

Для расчёта снижения номинальной мощности кабелей 11, 33, 66 и 132 кВ с учётом данных испытываемых типов грунта в качестве засыпного материала использовалась компьютерная программа. На рисунке 8 показан пример формирования зоны высыхания вокруг трёх кабелей 33 кВ, проложенных непосредственно в грунте. В таблице 4 даны полученные результаты. На их основании был сделан вывод относительно того, что коэффициент снижения номинальной мощности варьируется в пределах 0,88 и 0,98 в зависимости от параметров грунта и кабеля. Для кабелей 33 кВ и выше глубина залегания и расстояние между ними приняты соответственно 1 и 0,4 м, а для кабелей ниже 33 кВ глубина прокладки принята 0,8 м. На рисунке 8 показано распределение температуры по поверхности кабеля 33 кВ. Зоны высыхания в зависимости от типа грунта формируются при температурах 63, 65, 58, 56, 57 и 60°C соответственно.

В табл. 4 даются обобщённые расчётные данные для определения коэффициента снижения номинальной мощности испытуемых кабелей при формировании зоны высыхания. Из данных таблицы видно, что грунты типа песок 2 и песок 1 имеют более высокий коэффициент, чем остальные.

Как видно из табл. 3, они имеют одинаковое соотношение теплового сопротивления высыхание/ увлажнение и одинаковую разность между критической температурой и температурой окружающей среды, кроме того, согласно табл. 1 у них почти одинаковый состав грунта, т.е. весовое содержание гравия и ила отличается незначительно. Грунт типа песок 4 имеет самый низкий коэффициент снижения номинальных параметров, и возможной причиной этому является его самое высокое значение соотношения теплового сопротивления высыхание/увлажнение, как показано в табл. 3, а также то, что он не содержит глины и ила (табл. 1). Илистый и глинисто-илистый грунты также имеют неплохой коэффициент снижения номинальной мощности, но они могут служить причиной образования коррозии оболочки кабеля вследствие высокого содержания ила.

На рис. 8 показано распределение температуры вокруг трёх трёхфазных кабелей (33 кВ), уложенных непосредственно в грунт типа песок 1 и расположенных в одной плоскости при нагрузке 1106 A. Расстояние между фазами составляет 0,4 м, а глубина залегания — 1 м. Было зарегистрировано, что зона высыхания начала формироваться при температуре 63°C.

Выводы

На основании экспериментального исследования и проведённого анализа были сделаны следующие выводы:
• формирование зон высыхания вокруг подземных кабелей снижает ёмкость кабеля на коэффициент, определённый в данной работе на основании коэффициента снижения номинальных параметров, значение которого зависит от типа грунта;
• на основании многочисленных испытаний было отмечено, что явление высыхания засыпного грунта начинается при различных температурах с различной интенсивностью и зависит от типа грунта и весового содержания ила;
• время, необходимое для формирования зоны высыхания вокруг подземных кабелей, более продолжительное для образцов грунта с содержанием ила, чем для образцов без содержания последнего. Скорость перемещения формирования зоны высыхания в грунтах с содержанием ила ниже, чем в грунтах без него.


ЛИТЕРАТУРА


1. Стандарт МЭК 60287-1-3. «Расчёт номинальной токовой нагрузки. Коэффициент нагрузки 100%», 1982.
2. Koopmans G., Gouda O.E. Перенос тепла и влажности в почве с гистерезисным потенциалом влажности. 4th
International conference on numerical methods in thermal problems. 15—18 July 1985, Swansea, U.K.
3. Gouda O.E. Формирование зон высыхания вокруг подземных кабелей при пиковых нагрузках. Modeling, Simulation & Control, ASME Press, vol. 7, № 3, 1986, pp. 35—46.
4. J. Hegyi and A. Klestoff. Токонесущая способность промышленных кабельных систем, IEEE. Transactions on Industry Applications, Vol. 24, № 1, January-February 1988, pp. 99—105.
5. M.A. Hanna, A.Y. Chikhani and M.M.A. Salama. Термический анализ силовых кабелей в многослойных почвах. Part 3: Case of Two Cables in a Trench, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 9, № 1, January 1994, pp. 572—578.
6. G.J. Anders, H.S. Radhakrishna. Термический анализ кабелей с учётом переноса тепла и влаги в почве, IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 3, № 4, October 1988, pp.
1280—1288.
7. G.J. Anders, A.K.T. Napieralski, and W. Zamojski. Расчёт внутреннего термического сопротивления и пропускной способности по току трёхжильных неэкранированных кабелей с наполнителями, IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 13, № 3, July 1998, pp. 699— 705.
8. Francisco de Leon, and George J. Anders. Влияние засыпки на пропускную способность по току на основании анализа по методу конечных элементов, IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 23, № 2, April 2008, pp. 537—543.
9. Charis Demoulias, Dimitris P. Labridis, Petros S. Dokopoulos and Kostas Gouramanis. Пропускная способность по току силовых кабелей низкого напряжения при несинусоидальных токах, IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 22, № 1, January 2007, pp. 584—594.
10. Carlos Garrido, Antonio F. Otero and Jose Cidras. Теоретическая модель расчёта пропускной способности по току в стабильных и переходных режимах и температуре, IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 18, № 3, July 2003, pp. 66—678.
11. Michael R. Yenchek and Gregory P. Cole. Теоретическое моделирование переносных силовых кабелей, IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 33, № 1, January-February 1997, pp.
72—79.
12. G.J. Anders, A. Napieralski and Z. Kulesza. Расчёт внутреннего термического сопротивления и пропускной способности по току трёхжильных экранированных кабелей с наполнителями, IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 14. № 3, July 1999, pp. 729—734.
13. Neil P. Schmidt. Сравнение между стандартами пропускной способности МЭК и СИГРЭ, IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 14, № 4, October 1999, pp. 1555—1562.
14. G.J. Anders, M. Chaaban, N. Bedard and R.WD. Ganton. Новый подход к расчёту пропускной способности по току кабелей, проложенных в кабельной канализации при помощи метода конечных элементов, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. PWRD-2, № 4, October 1987, pp. 969—975.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно