- Тепловой расчет силового кабеля
- Кабельные линии
- КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ, ПРОЛОЖЕННЫЕ В ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБАХ Тепловой расчет
- МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА КАБЕЛЯ
- Тепловыделение
- Теплопоглощение
- Уравнение теплового баланса
- F Ж , мм 2 150 200 250 300 400 600 750 1000 1250 1500 К П , о.е. 1,006 1,012 1,018 1,026 1,040 1,068 1,145 1,239 1,335 1,439
- ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
- Определение допустимого тока кабеля по предельной температуре жилы 90 °C
- Определение допустимого тока кабеля по предельной температуре поверхности кабеля 40 °C
- ТЕРМОСТОЙКИЕ ТРУБЫ ДЛЯ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- ЛИТЕРАТУРА
Тепловой расчет силового кабеля
Кабельные линииСуществует несколько основных способов прокладки кабельных линий 6–500 кВ: в грунте, в железобетонных лотках, в полиэтиленовых трубах, в кабельных тоннелях. В настоящее время многие кабели прокладываются в населенных пунктах и городах, где земляные работы сопряжены с рядом трудностей. Из-за этого в строительстве кабельных сетей все шире используется технология горизонтально направленного бурения, а фазы кабельной линии оказываются проложенными под землей в полиэтиленовых трубах.
КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ, ПРОЛОЖЕННЫЕ В ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБАХ |
F Ж , мм 2 | 150 | 200 | 250 | 300 | 400 | 600 | 750 | 1000 | 1250 | 1500 |
К П , о.е. | 1,006 | 1,012 | 1,018 | 1,026 | 1,040 | 1,068 | 1,145 | 1,239 | 1,335 | 1,439 |
С помощью рис. 4 несложно записать уравнения теплового баланса (по аналогии с законом Ома для электрической цепи).
Выражение с температурой жилы:
ТЖ – ТГ = КПРЖ(RИ + RО + RВ +RТ + 3RГ) + РИ(0,5RИ + RО + RВ + RТ + 3RГ) + + РЭ(RО + RВ + RТ + 3RГ) . | (1) |
Выражение с температурой поверхности кабеля:
ТК – ТГ = КПРЖ(RВ +RТ + 3RГ) + РИ(RВ + RТ + 3RГ) + РЭ(RВ + RТ + 3RГ) . | (2) |
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
Определение допустимого тока кабеля по предельной температуре жилы 90 °C
Для изоляции из сшитого полиэтилена, которая наиболее часто применяется для современных однофазных кабелей 6–500 кВ, длительно допустимая температура не должна превосходить 90 °C. Приняв температуру жилы кабеля Т Ж = 90 °C, из уравнения теплового баланса (1) найдем длительно допустимый ток кабеля:
| (3) |
Пример расчета. Пусть трехфазная группа однофазных кабелей 110 кВ с медными жилой 1000 мм 2 и экраном 240 мм 2 проложена в расположенных сомкнутым треугольником трубах диаметром 225 мм с толщиной стенки 10 мм.
Удельные тепловые сопротивления изоляции и оболочки кабеля приняты ρ И = 3,5 и ρ О = 3,5 К·м/Вт.
Результаты расчетов допустимого тока (3) сведены в табл. 2 в зависимости от основных влияющих факторов: схемы соединения и заземления экранов (наличия потерь в экранах), а также удельного теплового сопротивления грунта, которое на практике меняется в широком диапазоне значений ρ Г = 1?3 К·м/Вт.
В случаях I, II труба отсутствует, фазы кабеля проложены в открытом грунте вплотную друг к другу (I) или на расстоянии 225 мм (II). При этом при вычислениях по (3) удельные тепловые сопротивления ρ В и ρ Т приняты такими же, как ρ Г , что как раз и означает отсутствие воздуха В и полиэтиленовой трубы Т .
В случае III фазы кабеля проложены в трубах, расположенных сомкнутым треугольником, расстояние между осями фаз составляет 225 мм. Удельные тепловые сопротивления воздуха и трубы приняты ρ В = 10 и ρ Т = 3 К·м/Вт.
Удельное тепловое сопротивление железобетонного лотка составляет около 2 К·м/Вт, что близко к свойствам грунта. Поэтому выводы, которые можно будет сделать на основе анализа случая I из табл. 2, в полной мере относятся не только к прокладке кабеля в грунте, но и к прокладке кабеля в железобетонных лотках.
Результаты расчетов по (3) неплохо совпадают, например, с каталогом фирмы АВВ, где в случае прокладки кабелей 1000/240 мм 2 с транспонированными экранами сомкнутым треугольником в грунте допустимые токи при тепловом сопротивлении грунта 1,2 и 3 К·м/Вт составляют соответственно 1095, 810, 668 А.
В каждом из случаев I, II, III даны допустимые токи для кабеля без потерь в экранах (рис. 2б, 2в) и с потерями (рис. 2а), а также эти же токи в относительных единицах (за 1 о.е. принят ток для кабеля без потерь в экранах). Такие относительные значения допустимых токов по сути представляют собой коэффициент использования пропускной способности кабеля, который здесь вычисляется с учетом всех тепловых характеристик трассы, а в [5] упрощенно оценивался без них как:
Из табл. 2 видно, что простое двустороннее заземление экранов заметно снижает допустимый ток кабеля:
- на 27–29% (снижение от 1,0 о.е. до 0,71 – 0,73) в случае I;
- на 44–46% в случае II;
- на 45–46% в случае III.
Таблица 2. Длительно допустимый ток I Д90 по (3) трехфазной группы однофазных кабелей 110 кВ с медной жилой 1000 мм 2 и экраном 240 мм 2 , отвечающий температуре жилы 90 °С, а также возникающая при этом температура поверхности кабеля T K по (2), в зависимости от основных влияющих факторов
Описание расчетного случая | Р Э / Р Ж , о.е. | Удельное тепловое сопротивление грунта ρГ | |||||
ρГ = 1 К·м/Вт | ρГ = 2 К·м/Вт | ρГ = 3 К·м/Вт | |||||
I Д90 , A | Т К , °C | I Д90 , A | Т К , °C | I Д90 , A | Т К , °C | ||
I. Фазы проложены в грунте сомкнутым треугольником: | |||||||
– экраны транспонированы и т.п. (рис. 2б, 2в) | 0 | 1108 (1,0) | 77,2 | 819 (1,0) | 82,9 | 678 (1,0) | 85,1 |
– экраны заземлены с двух сторон (рис. 2а) | 1,3 | 804 (0,73) | 81,8 | 584 (0,71) | 85,7 | 480 (0,71) | 87,0 |
II. Фазы проложены в грунте треугольником на расстоянии 225 мм друг от друга: | |||||||
0 | 1108 (1,0) | 77,2 | 819 (1,0) | 82,9 | 678 (1,0) | 85,1 | |
– экраны заземлены с двух сторон (рис. 2а) | 3,1 | 625 (0,56) | 83,9 | 450 (0,55) | 86,8 | 369 (0,54) | 87,8 |
III. Фазы проложены в грунте в полиэтиленовых трубах диаметром 225 мм: | |||||||
0 | 841 (1,0) | 82,6 | 703 (1,0) | 84,8 | 615 (1,0) | 86,0 | |
– экраны заземлены с двух сторон (рис. 2а) | 3,1 | 463 (0,55) | 86,6 | 383 (0,54) | 87,7 | 334 (0,54) | 88,2 |
Примечание.
В скобках даны относительные значения допустимых токов I Д90 (за 1 о.е. принят ток для схем, приведенных на рис. 2б и 2в).
Следовательно, можно сделать вывод, что при прокладке фаз кабельной линии на расстоянии друг от друга (II, III) заземление экранов с двух сторон недопустимо, обязательно требуется или их одностороннее заземление, или их транспозиция. В частности, эти мероприятия нужны при прокладке фаз кабеля в трубах (III).
Также видно, что прокладка фаз кабельной линии в трубах (III) несколько снижает допустимый ток по сравнению с прокладкой в открытом грунте (I):
- при ρ Г = 1 К·м/Вт – на 24% (с 1108 до 841 А);
- при ρ Г = 2 К·м/Вт – на 14% (с 819 до 703 А);
- при ρ Г = 3 К·м/Вт – на 9% (с 678 до 615 А).
Анализ расчетов табл. 2 позволяет сделать вывод, что основной причиной снижения пропускной способности линий с однофазными кабелями 6–500 кВ является вовсе не их прокладка в полиэтиленовых трубах, а отсутствие мероприятий по борьбе с токами и потерями в экранах – одностороннего заземления экранов или транспозиции экранов. При прокладке кабелей в трубах схемы заземления экранов рис. 2б и рис. 2в оказываются незаменимы.
Определение допустимого тока кабеля по предельной температуре поверхности кабеля 40 °C
В табл. 2 представлены результаты расчетов температуры на поверхности фазы кабеля по (2), куда подставлен предельно допустимый ток по (3). Как видно, температура поверхности кабеля достигает 80 °C и даже более.
Для упрощения расчетов температура поверхности кабеля определялась для случая, когда кабель размещен в середине трубы и не касается ее стенок (рис. 3). На практике кабель лежит на дне трубы и передает ей температуру своей поверхности. Для ПНД труб, применяемых для прокладки кабеля и рассчитанных на 40 °C, такая высокая температура недопустима.
Близкая к 80 °C температура поверхности кабеля, лежащего на дне трубы, получена также и в работе [3], авторы которой выполняли тепловой расчет при помощи специального программного обеспечения.
Определим длительно допустимый ток кабельной линии, исходя из условия, что температура поверхности кабеля не превысит 40 °C. Приняв температуру поверхности кабеля Т К = 40 °C, из уравнения (2) найдем этот ток:
Считая, что для кабельной линии, проложенной в трубах, меры по борьбе с паразитными токами в экранах являются обязательными, расчеты по (4) проведены при условии отсутствия потерь в экранах, а их результаты даны в табл. 3.
Таблица 3. Длительно допустимый ток трехфазной группы однофазных кабелей 110 кВ с медной жилой 1000 мм 2 и экраном 240 мм 2 в зависимости от основных влияющих факторов. Приняты меры борьбы с токами в экранах (транспозиция экранов или их одностороннее заземление)
Описание способа прокладки кабеля | Формула | Удельное тепловое сопротивление грунта ρГ | ||
ρГ = 1 К·м/Вт | ρГ = 2 К·м/Вт | ρГ = 3 К·м/Вт | ||
В грунте или в лотке (критерий 90 °C) | 3 | 1108 (1,0) | 819 (1,0) | 678 (1,0) |
В термостойкой трубе (критерий 90 °C) | 3 | 841 (0,76) | 703 (0,86) | 615 (0,91) |
В ПНД трубе (критерий 40 °C) | 4 | 468 (0,42) | 380 (0,46) | 327 (0,48) |
Примечание. В скобках даны относительные значения допустимых токов I Д90 , I Д40 (за 1 о.е. принят ток для случая прокладки в грунте или лотке).
Из табл. 3 видно, что обеспечение требований ГОСТ к условиям эксплуатации ПНД труб (критерий 40 °C) приводит к снижению пропускной способности кабельной линии на 52–58% по сравнению со случаем прокладки фаз в открытом грунте. Тогда как применение термостойких труб, допускающих длительное воздействие температуры 80 °C, которая имеется на поверхности кабеля при температуре жилы 90 °C, давало бы снижение пропускной способности лишь на 9–24%.
Следовательно, для прокладки кабельных линий 6–500 кВ с однофазными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена возможность применения ПНД-труб следует переосмыслить. В кабельном строительстве требуется использование таких труб, которые, в отличие от ПНД, допускают длительное воздействие температуры не менее 80 °C.
ТЕРМОСТОЙКИЕ ТРУБЫ ДЛЯ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
В настоящее время на рынке уже имеются термостойкие трубы, которые могли бы заменить ПНД в кабельном строительстве. В качестве примера в табл. 4 приведены некоторые из них.
Таблица 4. Существующие на рынке полиэтиленовые трубы и возможность их использования для прокладки однофазных кабелей 6–500 кВ
Тип трубы | ПНД | PEX | PB | ProTectorFlex |
Материал | Обычный полиэтилен | Сшитый полиэтилен для тепловых труб | Полибутен для тепловых труб | Полимерная композиция высокой термостойкости |
Назначение | Холодная вода | Горячая вода | Горячая вода | Кабели 6–500 кВ |
Возможность использования для кабелей 6–500 кВ | Нет | Да | Да | Да |
Трубы ProTectorFlex, PEX, PB не будут размягчаться и слипаться с кабелями, не потеряют механической прочности не только в нормальном установившемся режиме работы сети, но и при коротких замыканиях в кабеле.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- К снижению пропускной способности кабельных линий с однофазными кабелями 6–500 кВ приводят паразитные токи и потери мощности в экранах, а также прокладка фаз в полиэтиленовых трубах.
- Основной причиной снижения пропускной способности кабельных линий 6–500 кВ является отсутствие мероприятий по борьбе с токами в экранах – заземления экранов с одной стороны или транспозиции экранов.
- Прокладка кабельных линий в трубах не является основной причиной снижения их пропускной способности.
- Применяемые в настоящее время для прокладки кабельных линий 6–500 кВ полиэтиленовые трубы низкого давления (ПНД) не годятся для этих целей, так как являются трубами холодного водоснабжения и рассчитаны на длительную работу в температурном диапазоне от 0 до 40 °C, что существенно меньше тех температур, которые могут возникать на поверхности кабеля.
- Следует приостановить применение ПНД-труб для прокладки кабельных линий с однофазными кабелями 6–500 кВ и рассмотреть применение для этих целей труб типа ProTectorFlex, PEX, PB или иных, которые будут удовлетворять требованиям по температуре, гибкости, механической прочности и проч.
ЛИТЕРАТУРА
- СТО 56947007-29.060.20.071-2011. Силовые кабельные линии напряжением 110–500 кВ. Условия создания. Нормы и требования. Москва, ОАО «ФСК ЕЭС», 2011.
- ГОСТ 18599-2001. Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия.
- Титков В.В., Дудкин С.М. Влияние способов прокладки на температурный режим кабельных линий 6–10 кВ и выше // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 3(75).
- ГОСТ Р МЭК 60287-1-1-2009. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
- Дмитриев М.В. Заземление экранов однофазных силовых кабелей 6–500 кВ. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 152 с.
© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна
Источник