Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Зависимость повреждаемости кабельных муфт среднего напряжения от температуры окружающей среды

Анализ повреждений эпоксидных соединительных кабельных муфт, используемых в кабельных сетях среднего напряжения в Нидерландах, показал их взаимосвязь с температурой окружающей среды. Такие явления наблюдаются особенно в летний период. В частности, в июле и августе 2003 и 2006 годов наблюдались высокие температуры воздуха, и количество повреждений кабельных муфт значительно возросло. Высокая температура воздуха оказывает влияние на температуру грунта не только в течение года, но и ежедневно. Было отмечено, что отказы муфт следуют за повышением или падением средней температуры в различные дни месяца, причём количество выходов из строя муфт растёт или падает с некоторой задержкой во времени. Изменение температуры слоя грунта вокруг кабельной муфты вызывает повышение температуры в самой муфте, приводя тем самым к повреждению муфты, которая уже находится на грани выработки своего ресурса. Наличие «горячей точки» в сочетании с повышением температуры грунта может привести к пробою изоляции.

ВВЕДЕНИЕ

В 70-х годах прошлого столетия в кабельных линиях среднего напряжения в Нидерландах использовались эпоксидные соединительные муфты. Пробои их эпоксидной изоляции являются сегодня одной из основных причин аварийных перерывов электроснабжения. Имеется база данных по отказам за последние 5 лет с указанием даты повреждения. Эти данные можно использовать для проведения статистического анализа повреждений. Такой анализ показывает, что муфты почти выработали свой ресурс и представляют собой главную причину отказов, и означает, что увеличение числа повреждений явно зависит от продолжительности предшествующего периода эксплуатации [1, 2]. Однако анализ также показывает, что количество ожидаемых отказов отличается от их фактического числа. Это касается в основном летнего периода времени. Таким образом, напрашивается вопрос: не является ли повышенная температура окружающей среды причиной возникновения повреждений?

Одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на температуру кабеля или муфты, является величина тока, протекающего по кабелю. Чтобы определить, вносит ли величина тока свой вклад в возникновение повреждений, был проведён анализ, не произошло ли когда-либо за несколько минут до отказа муфты увеличения тока или перегрузки кабельной линии. Исследования показали, что никаких серьёзных изменений тока, которые можно было бы связать с предстоящим отказом, не происходило.

Температура грунта вокруг муфты меняется в течение года. Это влияет на распределение температуры в самой муфте, что может стать причиной пробоя её изоляции. Даже на обычной глубине прокладки кабеля (0,5-1 м) температура в течение года меняется. В данном докладе рассматривается влияние температуры окружающей среды на термические свойства грунта в течение года, а также эффект воздействия повышения температуры на кабели и муфты. Будет показана также взаимосвязь температуры окружающей среды и количества повреждений муфт с изоляцией из эпоксидной смолы.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

Распределение температуры в грунте зависит от целого ряда параметров, которые включают теплофизические свойства грунта, характеризующиеся тремя типичными параметрами [3].

Объёмная теплоёмкость (С, Дж/м3К) — количество теплоты, которое нужно подвести к единице объёма грунта, чтобы нагреть его на один градус.

Коэффициент теплопроводности (k, Дж/(м2сК/м) — количество теплоты, передаваемой через единицу площади поверхности теплопроводящего тела за единицу времени при градиенте температуры, равном одному градусу на метр.

Коэффициент температуропроводности или коэффициент диффузии (рассеяния) Дh — равен тому повышению температуры, которое произойдёт в единице объёма вещества за единицу времени при тепловом потоке, равном коэффициенту теплопроводности. Коэффициент температуропроводности можно охарактеризовать как параметр, зависящий от коэффициента теплопроводности и объёмной теплоёмкости (Дh = k/С).

Теплофизические свойства во многом зависят от типа и состава грунта. Например, наличие влаги, воздуха и органических веществ оказывает большое влияние на его теплофизические свойства. Ввиду постоянного изменения концентрации влаги и воздуха в почве теплопроводность также является переменной величиной, зависящей от времени. Поэтому значение коэффициента теплопроводности изменяется в зависимости от глубины и во времени. Содержание влаги и распределение тепла — взаимозависимые процессы. Они взаимодействуют между собой и оказывают друг на друга взаимное влияние. Такая взаимозависимость может привести к перемещению как влаги, так и тепла в почве, что вызывает изменение её теплофизи-ческих свойств.

Источник тепла, например, находящийся в эксплуатации кабель вследствие движения влаги из мест с более высокой температурой к местам с более низкой может оказать влияние на параметры почвы. Следовательно, распространение тепла (местное) в почве изменяется и может привести к изменению градиента влажности. Таким образом, эти процессы взаи-мовлияющие и взаимосвязанные.

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОЧВЫ

Кроме теплофизических свойств почвы, величиной, зависимой от местных метеорологических условий, является её температура. Это означает, что суточные и сезонные перепады температуры оказывают сильное влияние на состояние почвы. Погодные явления, например дождь, поверхность почвы (лес, дорожное покрытие) и человеческий фактор также влияют на температурный режим почвы. Всё это необходимо учитывать при комплексном математическом моделировании.

Изменение температурного режима почвы моделируется. Годовые, а также суточные колебания температуры можно описать синусоидальной функцией времени и глубины [3, 4]:

T(z,t) = Ta = Azsin{ωt + ф(z)]     (1),

где T(z,t) — температура на глубине z в функции времени t; Та — средняя температура поверхности; Az — амплитуда колебания температуры на глубине z; ω — радиальная частота; ф(z) — время задержки (начальная фаза) в функции z. В этом уравнении можно учесть влияние толщины слоя:

T(z,t) = Ta = Ao[sin(ωt - z/d)]e-(z/d)     (2),

где Аo — амплитуда колебания на поверхности.

Постоянная d — глубина затухания температурных колебаний в почве. На этой глубине амплитуда температуры уменьшается в е=2,718 раза по отношению к амплитуде температуры на поверхности почвы о). Глубину затухания можно выразить через Дh„ и ω:

d = (2k/Cω)1/2 = (2Dh/)1/2     (3).

Как можно видеть, глубина затухания температуры обратно пропорциональна корню квадратному из частоты. Это означает, что глубина затухания годовых колебаний в 19 раз больше суточных.

В уравнение (2) можно включить влияние годовых и суточных колебаний температуры. Также можно ввести значение начальной фазы ф, которая задаёт произвольную нулевую точку шкалы времени. При этом формула (2) принимает вид:

T(z,t) = Ta,y+Ay{sin(ωyt+фy-z/dy)}ez/dy+Ad{sin(ωdt+фd-z/dd)}ez/dd     (4),

где у и d в нижних индексах соответствуют годовым и суточным колебаниям.

Суточные изменения, обусловленные толщиной слоя, накладываются на годовые колебания температуры на этой же глубине. На рис. 1 показаны годовые графики изменения температуры почвы для глубин 5, 50 и 100 см. Для построения этих графиков приняты средние термические параметры из литературы [5].

Рис. 1. Изменение температуры почвы на разной глубине в течение года при среднесуточных температурах окружающей среды

Используя при моделировании показатели температуры воздуха, можно недооценить значение температуры почвы. Точно так же при увеличении глубины в модели уменьшается влияние суточных колебаний температуры. Этот эффект можно наблюдать при сравнении фактической (измеренной) температуры почвы в течение года с расчётными значениями [6].

В зависимости от сезона распределение температуры на разной глубине в течение года может меняться. Это обстоятельство характеризуют графики на рис. 1, где в качестве примера показано изменение температуры, начиная с зимнего периода времени.

Суточные изменения температуры имеют более динамичный характер, в особенности на небольшой глубине. Пример суточных колебаний температуры на различной глубине в летний период времени представлен на рис. 2, заимствованном из литературы [3].

Анализируя графики рис. 2, можно заметить, что температура почвы на небольших глубинах практически точно совпадает с температурой окружающей среды (воздуха), в то время как на более значительной глубине происходит отставание в повышении и понижении температуры почвы по сравнению с наружной температурой.

Рис. 2. Изменение температуры почвы на различной глубине в разное время суток в летний период времени [3].

ТЕМПЕРАТУРА КАБЕЛЯ И ТЕПЛОВОЙ ПОТОК

Теплофизические свойства почвы вокруг кабеля оказывают большое влияние на температурный режим самого кабеля и должны учитываться при расчёте его нагрузочной способности [7]. Почва вносит свой вклад в тепловой поток, проходящий между кабелем и внешней средой. Термическое сопротивление (величина обратная теплопроводности) почвы оказывает большое влияние на тепловое состояние кабеля. Оно может меняться в зависимости от глубины прокладки кабеля, наличия параллельно проложенных кабелей и типа самой почвы [8]. Удельное сопротивление почвы зависит от следующих факторов [9]:

• наличия в грунте воздуха, обладающего высоким удельным тепловым сопротивлением. Для уменьшения термического сопротивления почва вокруг кабелей должна быть хорошо уплотнена;
• замены воздуха водой, что приводит к снижению теплового сопротивления, но все же вода не обладает достаточной теплопроводностью;
• наличия в почве органических веществ, которые обладают высоким удельным тепловым сопротивлением, даже если имеют повышенную влажность;
• засыпаемых в траншеи грунтов, причём наименьшее сопротивление имеет кварцевый песок.

Из вышесказанного становится ясно, что термические характеристики почвы могут значительно изменяться по всей протяжённости трассы кабеля. Как упоминалось ранее, огромное значение при определении термических характеристик почвы играет влага. При высоком содержании влаги удельное термическое сопротивление достаточно стабильно и незначительно меняется в зависимости от её содержания. Однако при достижении некоторого критического значения (нижнего предела) содержания влаги термическое сопротивление резко возрастает. Почва вокруг кабеля осушается, и его нагрев происходит при меньшем объёме влаги, что приводит к дополнительному нагреву кабеля. В конечном итоге это может закончиться неуправляемым нагревом и термической нестабильностью кабеля. Можно сказать, что чем больше глубина прокладки кабеля, тем лучше для него будут температурные условия среды.

ПОВРЕЖДЕНИЯ МУФТ И ТЕМПЕРАТУРА ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА

В предыдущих разделах были рассмотрены теплофизические свойства почвы и их влияние на характеристики кабеля и муфты. В качестве примера для стандартной эпоксидной муфты 10 кВ, применявшейся в 70-х годах прошлого века, выявлен типичный график изменения количества отказов на протяжении года. Удивление вызывает тот факт, что наибольшее количество отказов происходит в летние месяцы. На рис. 3 показано среднемесячное количество повреждений при среднемесячной наружной температуре за последние 5 лет. На диаграмме можно увидеть, что количество отказов возрастает с июня по август, особенно в июле. В эти месяцы обычно держится самая высокая температура.

Рис. 3. Среднемесячная температура и среднемесячное количество отказов в период 2002-2006 гг.

Для более полной наглядности на рис. 4 показаны среднемесячное количество отказов и среднемесячная температура за 2006 год. Для этого года характерно повышение общего количества отказов после их снижения в предыдущие годы. В июле наблюдалось повышение температуры воздуха выше нормы. В этом месяце, как видно из диаграммы на рис. 4, было отмечено и экстремально высокое количество отказов.

Рис. 4. Среднемесячное количество отказов и среднемесячная наружная температура в 2006 году.

Когда температура окружающего воздуха и количество отказов коррелируются, что наблюдается в июле и августе в течение последних 5 лет, то можно увидеть, что коэффициент корреляции для обоих месяцев приблизительно равен 0,88. Это говорит о том, что между температурой и количеством отказов существует взаимосвязь. Если вывести коэффициент корреляции между общим количеством отказов и температурой воздуха в течение года, то для 2006 года, как следует из рис. 3, он будет равен 0,64.

Для большей наглядности влияния температуры на рис. 5 показана ежедневная температура с конца июня до начала августа 2006 г. вместе с ежедневным количеством отказов.

Рис. 5. Ежедневная температура с конца июня до начала августа 2006 года.

Из этого рисунка видно, что большинство ежедневных повреждений приходится на периоды с повышенной температурой воздуха.

Существует некоторая задержка момента возникновения неисправности кабеля по отношению к моменту повышения температуры. Как видно из рис. 6, эта задержка составляет от 1 до 3 дней. Что касается июля 2006 г., то коэффициент корреляции между температурой окружающей среды и количеством отказов составил 0,49. Если учитывать задержку только в 1 день, то можно выявить, что коэффициент корреляции увеличивается до 0,57. Анализ для остальных годов рассматриваемого периода показывает, что задержка в 2—3 дня приводит к более высокому коэффициенту корреляции.

Рис. 6. Корреляция между возникновением повреждения и температурой с временной задержкой 0-6 дней. Горизонтальная линия показывает критическое значение коэффициента.

ВЫВОДЫ

Статистический анализ срока службы множества эпоксидных кабельных муфт показал, что эти муфты находятся в стадии почти полного износа. Старение изоляции считается главной причиной их выхода из строя. В прошлом году зарегистрировано увеличение числа их повреждений, которое оказалось выше ожидаемого. По этой причине было проведено исследование, направленное на определение зависимости между появлением неисправностей и температурой окружающей среды. Его результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. Температура почвы зависит от многих факторов, таких, как содержание влаги, тип самой почвы и наружная температура. Нагрузка кабеля также влияет на термические свойства грунта, что, в свою очередь, приводит к местным изменениям температуры почвы.
2. Было отмечено явное увеличение количества отказов в летние месяцы, особенно в июле-августе.
3. Максимальные суточные температуры часто приводят к увеличению числа повреждений. Это может быть вызвано высоким термическим напряжением в кабельных муфтах в результате повышения температуры почвы в сочетании со старением изоляции муфты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Р.А. Йонген, П.Х.Ф. Моршуйс, Й.Й. Смит, АЛ.Й. Янссен, Э. Тульски. Статистический анализ выхода из строя эксплуатируемых эпоксидных кабельных муфт. Материалы Международной конференции по проблемам мониторинга и диагностики, Корея, 2006.
2. Д. Хиллел. Физика почв. Академик Пресс, Сан-Диего, США, 1998.
3. Р.Э. Уайт. Принципы и практика почвоведения: почва как природное богатство. Четвертое издание. Изд-во Блэкуэлла, Малден, США, 2006.
4. Д.А. Де Врие. Теплофизические свойства почвы в физике окружающей среды. Под ред. У.Р. ван Вийк. Изд-во «Норт Холланд», Амстердам, 1963.
5. Дж. By, Д.Л. Нофцигер. Влияние температуры на ухудшение свойств пестицидов в модели управления. Journal of Environmental Quality, том 28, стр. 92-100, 1999.
6. МЭК 287-2-1, Электрические кабели. Расчёт нагрузочной способности, 1994.
7. К.Л. Купер, МЛ. Даер, ГГ. Каради. Исследование влияния сезонных изменений теплопроводности почвы на нагрузочную способность высоковольтных кабелей. Конференция по исследованию крупных инженерных систем в электроэнергетике, июль 2004, стр. 108-112.
8. Дж. Кэмпбелл, К. Бристоу. Удельное термическое сопротивление почвы. Система передачи и распределения электроэнергии Австралии, Чапел Хилл, Оулд, материалы СПР: с. 46-48,2002.
9. Королевский метеорологический институт Нидерландов (KNMI), http://www.knmi.nl.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно