Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ исследований по оценке факторов, влияющих на надёжность и безопасность эксплуатации кабельных линий 6(10) кВ 17
1.1 Эксплуатационные и режимные факторы, определяющие ресурс изоляции силовых кабелей распределительных сетей 17
1.2 Технические методы, прогнозирующие модели и подходы по оценке состояния изоляции силовых кабелей 28
1.3 Оценка безопасности эксплуатации кабельных линий 6(10) кВ в городских электрических сетях 34
1.4 Цели и задачи диссертационной работы 36
ГЛАВА 2 Ретроспективный подход к изучению данных по повреждаемости кабельных линий 6(10) кв как элемента городской электрической сети с выявлением и исследованием их слабых звеньев 38
2.1 Анализ ретроспективной статистической информации отказов кабельных линий 6(10) кВ (на примере городских сетей г. Челябинска и г. Нефтекамска) 38
2.2 Оценка влияния принятых проектных решений на состояние изоляции кабельных линий 6(10) кВ распределительных сетей 48
2.2.1 Анализ состояния изоляции кабелей в звене «КЛ 6(10) кВ – схема распределительной сети» 49
2.2.2 Оценка повреждаемости изоляции в звене «трасса КЛ – грунтово-метеорологические параметры»
2.3 Метод выявления слабых звеньев в городской электрической сети с формированием карт жизни КЛ и динамической реляционной базы данных 60
2.4 Исследование напряжённо-деформированных состояний в звене «кабельная линия 6(10) кВ – грунт» 67
2.5 Оценка теплового режима работы в звене «КЛ – грунт» с учётом образующихся воздушных включений в грунте при подвижках кабеля 77
2.6 Исследование взаимосвязи повреждаемости изоляции КЛ 6(10) кВ и параметров частичных разрядов с током нагрузки в рабочем и аварийном режимах работы 82
2.7 Методика оценки роли эксплуатационного персонала при проведении монтажных и ремонтных работ на кабельных линиях 84
2.8 Исследование изменения состояния изоляции кабелей в звене «КЛ – грунтово-метеорологические параметры»
2.8.1 Методика оценки статистической зависимости пробоев изоляции КЛ с учётом влияния грунтово-метеорологических параметров и территории эксплуатации 89
2.8.2 Экспериментальная оценка изменения температурного режима и уровня изоляции КЛ 6(10) кВ, проложенных на разной глубине 96
2.8.3 Исследование динамики изменения сопротивления изоляции, токов утечки и интенсивности частичных разрядов в изоляции КЛ 6(10) кВ в различных режимах работы с учётом грунтово-метеорологических параметров 99
2.9 Экспериментальная оценка влияния на диэлектрические свойства изоляции испытаний КЛ 6(10) кВ повышенным напряжением выпрямленного тока 107
2.10 Выводы по главе 2 110
ГЛАВА 3 Теоретическое и экспериментальное исследование влияния магнитной составляющей электромагнитного поля кабеля на состояние изоляции .
3.1 Оценка распределения электромагнитного поля кабеля 6(10) кВ в рабочих и аварийных режимах распределительной сети 114
3.2 Исследование влияния на изоляцию КЛ 6(10) кВ механических
воздействий от электродинамических усилий в рабочих и аварийных режимах 123
3.2.1 Характер электродинамического воздействия механических усилий
в изоляции кабеля в рабочих и аварийных режимах работы 124
3.2.2 Методика сравнительной оценки влияния на ресурс изоляции кабеля 6(10) кВ механических напряжений, обусловленных электродинамическими усилиями в рабочих и аварийных режимах работы 129
3.2.3 Исследование зависимостей диссипативных характеристик изоляции кабелей от температуры и частоты механического электродинамического воздействия 134
3.2.4 Оценка несимметричного изменения механических свойств фазной бумажной пропитанной изоляции трёхжильного кабеля в условиях эксплуатации ... 143
3.2.5 Сравнительная оценка влияния на изоляцию кабеля 6(10) кВ механического действия электродинамических усилий в рабочих и аварийных режимах работы 146
3.3 Исследование влияния электромагнитного поля кабеля на процесс коррозии защитных металлических оболочек 149
3.3.1 Методика исследования процесса коррозии защитных алюминиевых оболочек кабелей 6(10) кВ от воздействия электрического и магнитного полей 150
3.3.2 Оценка изменения процесса коррозии защитных алюминиевых оболочек кабелей 6(10) кВ от воздействия электрического и магнитного полей 156
3.3.3 Исследование условий массопереноса вблизи поверхности оболочки кабеля в процессе коррозии под влиянием электромагнитного поля 166
3.4 Влияние электрического и магнитного полей кабеля 6(10) кВ на интенсивность частичных разрядов в изоляции при различных режимах эксплуатации 172
3.4.1 Метод и экспериментальные установки для исследования влияния электрического и магнитного полей на интенсивность частичных разрядов в изоляции кабельных линий 174
3.4.2 Исследование влияния магнитного поля кабеля на интенсивность частичных разрядов на примере действующих КЛ предприятия МУП «НМПЭС» г. Нефтекамска 179
3.4.3 Методика исследования влияния магнитного поля на интенсивность ЧР и тангенс угла диэлектрических потерь на примере КЛ в лабораторных условиях 181
3.4.4 Исследование влияния магнитного поля на интенсивность частичных разрядов на примере модели слоистой изоляции, имитирующей изоляцию кабеля.. 191
3.4.5 Исследование влияния магнитного поля на интенсивность частичных разрядов в моделях, имитирующих воздушное включение 199
3.4.6 Оценка влияния магнитного поля на пробой воздушного промежутка, 204 моделирующего область с частичными разрядами в изоляции кабеля
3.4.7 Математическая модель оценки влияния магнитного поля на параметры
ЧР и пробой образцов бумажной пропитанной изоляции 210
3.5 Выводы по главе 3 230
ГЛАВА 4 Прогнозирование повреждаемости кл 6(10) кв для оценки надёжности и безопасности их эксплуатации как объекта городских электрических сетей .
4.1 Методика и математическая модель прогнозирования повреждаемости изоляции кабельных линий 6(10) кВ по ретроспективным данным .
4.2 Модуль математической модели вероятностного прогноза повреждаемости КЛ по оценке роли человеческого фактора с элементами нечёткой логики
4.3 Исследование распределения электромагнитного поля КЛ 6(10) кВ с позиции безопасности их эксплуатации для человека и оценки режимов их работы
4.4 Оценка возможности диагностирования однофазных замыканий в кабельной сети 6(10) кВ по изменению параметров ЧР и распределения электромагнитного поля
4.5 Анализ опасных ситуаций при пробое изоляции КЛ 6(10) кВ по оценке зависимостей напряжения шага от глубины прокладки, удельного сопротивления грунта с учётом заземлителей
4.6 Выводы по главе 4 .
ГЛАВА 5 Повышение эксплуатационной надёжности и безопасности работы кабельных линий 6(10) кв путём 271 оптимизации уставок релейной защиты и автоматики .
5.1 Оценка существующих методик выбора уставок устройств РЗиА в городских электрических сетях по критерию воздействия на изоляцию КЛ 6(10) кВ 271
5.2 Экспериментальная оценка влияния токов КЗ (термических и электродинамических импульсов) на диэлектрические свойства бумажной пропитанной изоляции кабеля 278
5.3 Методика выбора уставок релейной защиты и зонное автоматическое
повторное включение в кабельной сети 6(10) кВ для ресурсосбережения изоляции и улучшения безопасности эксплуатации 281
5.4 Методика оценки селективности работы устройств РЗиА с учётом безопасности эксплуатации и повышения долговечности изоляции КЛ 6(10) кВ 296
5.5 Математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации в комплексе «КЛ – граф схемы сети – уставки и селективность РЗиА» по критерию повышения эксплуатационной надёжности (ресурсосбережения изоляции) 303
5.6 Оценка ресурсосберегающего эффекта для изоляции кабелей при применении разработанного метода выбора уставок релейной защиты и автоматики 313
5.7 Выводы по главе 5 325
Заключение 327
Cписок литературы
- Оценка безопасности эксплуатации кабельных линий 6(10) кВ в городских электрических сетях
- Исследование напряжённо-деформированных состояний в звене «кабельная линия 6(10) кВ – грунт»
- Оценка несимметричного изменения механических свойств фазной бумажной пропитанной изоляции трёхжильного кабеля в условиях эксплуатации
- Исследование распределения электромагнитного поля КЛ 6(10) кВ с позиции безопасности их эксплуатации для человека и оценки режимов их работы
Оценка безопасности эксплуатации кабельных линий 6(10) кВ в городских электрических сетях
Требования по электрической и пожарной безопасности кабелей и кабельной арматуры определяет ГОСТ 12.2.007.14, согласно которому должны учитываться при проектировании и эксплуатации КЛ факторы электрической и пожарной безопасности.
Исследование безопасности эксплуатации КЛ и травматизма вблизи электроустановок (КЛ) 6(10) кВ за 12 лет (по 2012 г.) проведено на основании публикаций о несчастных случаях (НС), опубликованных в приложении к журналу «Новое в Российской электроэнергетике» [127]. Изучение причин электропоражения необходимо для совершенствования существующих и разработки новых мероприятий [246, 311, 312], предупреждающих несчастные случаи, повышающих безопасность эксплуатации КЛ. В таблице 1.3 приведено распределение несчастных случаев по группам их возникновения и основным причинам и взаимосвязь с эксплуатационными работами в кабельной сети. К перечню электроопасных работ, выполняемых на КЛ, следует отнести: 1. Работы, выполняемые при монтаже КЛ – 27,7 % от общего количества за 12 лет: рытьё траншеи, прокладка и перекладка кабелей и муфт – 6,4 %; прогрев кабеля в процессе монтажа, разогрев кабельной массы и заливка муфт, высоковольтные испыта ния КЛ – 4,2 %; замер сопротивления изоляции, заземление брони и оболочки кабеля – 4.3 %; подключение КЛ к ячейке, действующей ПС или к ВЛ – 12,8 %. 2. Эксплуатационные работы на КЛ – 42,5 %: замер нагрузки электро измерительными клещами, фазировка КЛ 6(10) кВ и замер напряжения по 0,4 кВ – 10,6 %; работа с импульсным измерителем линий, вывод КЛ в ремонт – 17 %; работа в ячейке 6(10) кВ с кольцующим кабелем, работа на 1-й опоре ВЛ с кабельным выходом с ПС – 6.4 %; оперативные переключения на секционирующих КЛ – 6,4 %; работа на кабельной перемычке между опорами на ВЛ, самовольное проникновение на ПС, РТП – 2,1 %. 3. Ремонтные работы на КЛ – 29,8 %: земляные работы вблизи действующих КЛ – 4,2 %; подвеска и крепление действующих КЛ – 4,3 %; прокладка кабелей в действующих кабельных каналах, разрезание кабеля, вскрытие муфт – 10,6 %; прожиг кабеля, отыскание места повреждения на КЛ – 2,1 %; разделка кабеля, ремонт кабельной воронки, замена ка бельной перемычки между опорами на ВЛ – 2,2 %; ремонт КЛ на автодорогах – 6,4 %. Возраст до 30 лет (%) 30 - до 40 лет (%) 16 - выше 40 лет (%) 54 - Стаж работы до 1 года (%) 14 - до 10 лет (%) 26 - свыше 10 лет (%) 60 - Образование среднее (%) 30 43 среднетехническое (%) 68 57 высшее (%) 2 - Классифика-ционнаягруппа поТБ 2 (чел.) 1 - 3 (чел.) 18 7 4 (чел.) 30 - 5 (чел.) 10 - Датанесчастногослучая 1 квартал (%) 17 44 100 квартал (%) 38 14 3 квартал (%) 18 14 4 квартал (%) 27 28 Времянесчастногослучая до 12 часов (%) 45 86 после 12 часов (%) 55 14 Исход поражения травмы, ушибы (чел.) 15 - ожоги (чел.) 29 4 смертельный несчастный случай 15 3 3
Местонесчастногослучая улица (чел.) 8 3 ячейки 6 (10) кВ в ТП и РП (чел.) 36 4 КЛ 6 (10) кВ (чел.) 15 - Причинанесчастногослучая падения с высоты (чел.) 5 - удар электрическим током (чел.) 44 7 транспортные аварии (чел.) 8 - механический инструмент (чел.) 2 - Всего по организационным причинам (кол-во НС): 33 7 Всего по техническим причинам (кол-во НС): 14 - механическое повреждение изоляции КЛ 5 - снижение уровня изоляции или пробой 7 - отсутствие ограждений 1 - несовершенство или отсутствие предохранительных устройств 1 - Проведённый анализ и результаты экспертного опроса работников предприятия МУП «НМПЭС» г. Нефтекамска показали [164], что, как правило, электротравма обусловлена комплексом причин, включающих в себя не только организационные и технические, но и санитарно-гигиенические и психофизиологические факторы. До 14,9 % несчастных случаев связано со снижением уровня изоляции КЛ 6(10) кВ и её пробоем. При оперативных переключениях, связанных с авариями в КЛ 6(10) кВ, происходит до 46 % несчастных случаев. Повышенный травматизм наблюдается именно в опасных зонах, где произошёл пробой изоляции кабелей, и связан с несоблюдением организационных мероприятий по подготовке к работам, плохим обучением персонала, плохим микроклиматом и трудовой дисциплиной в коллективе, несоблюдением правил охраны труда и техники безопасности. Самыми опасными определены работы по поиску повреждений и проколов кабеля, затем идут земляные работы и ремонт с рядом лежащими в траншее кабелями, находящимися под напряжением.
Проведённый и представленный выше анализ зарубежных и отечественных литературных данных показал, что необходимо уточнение характера и параметров старения изоляции с учётом новых факторов, связанных как с развитием, так и со старением городской кабельной сети, и принимаемых в этих условиях проектных и эксплуатационных решений. Целью диссертационной работы было определено повышение эксплуатационной надёжности и безопасности КЛ 6(10) кВ в условиях развития городских электрических сетей, что достигается за счёт разработки новых подходов и методов исследования с оптимизацией их работы как главного звена в комплексе, учитывающем ретроспективные данные, грунтово-метеорологические и электромагнитные параметры, антропогенный «человеческий фактор» и интегральное влияние режимов сети с устройствами РЗиА. Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие группы задач:
Исследование напряжённо-деформированных состояний в звене «кабельная линия 6(10) кВ – грунт»
Факторы, обусловленные проектными решениями, можно разделить на следующие виды: схема электрической сети; выбранная марка и сечение кабеля; местоположение кабеля в электрической схеме сети; трасса прокладки линии; глубина прокладки; радиус кривой изгиба кабеля на поворотах.
Сечение силовых кабелей выбирается по нагреву и экономической плотности тока с учётом следующих факторов: 1) термической стойкости при токах КЗ; 2) потери и отклонения напряжения; 3) механической прочности; 4) защиты от перегрузки [312].
Практика показывает, что зачастую определяющим фактором выбора сечения КЛ напряжением 6(10) кВ в городских электрических сетях является термическая стойкость при коротких замыканиях, что значительно увеличивает сечение применяемого кабеля, выбранного по нагреву и рабочей нагрузке, и стоимость КЛ (глава 5).
Кроме того, в соответствии с циркуляром [393], силовые кабели до 10 кВ необходимо проверять также и по условиям невозгорания, что приводит к дальнейшему увеличению сечения КЛ, особенно на подстанциях с большими токами КЗ на шинах 6(10) кВ. При разработке проектов кабельных трасс в условиях города необходимо учитывать следующие факторы: 1. Неизбежное наличие большого количества поворотов трасс по причине плотной застройки на среднюю длину КЛ от 300 до 1500 м (КЛ с 4 и более поворотами на длину считается сложной). При этом необходимо выдерживать регламентированный радиус изгиба кабеля на поворотах трассы. 2. Наличие пересечений трасс КЛ с подземными коммуникациями и дорогами с выдержкой регламентированных расстояний. 3. Колебания глубины прокладки КЛ по трассе и свойств грунта по причине изменения рельефа местности при развитии города. 4. Большой процент параллельно проложенных в одной траншее КЛ.
Несмотря на то, что указанные факторы в настоящее время регламентированы соответствующими стандартами и ПУЭ, они оказывают многофакторное сочетанное воздействие на изоляцию и определяются территорией эксплуатации.
В современных городских сетях применяются схемы различной конфигурации в зависимости от категории питаемых потребителей (в основном это потребители 2 и 3 категории). Для первой категории – радиальная, двухлучевая с односторонним питанием, двух-лучевая с двухсторонним питанием, трёхлучевая с двухсторонним питанием. Во всех схемах предусмотрено автоматическое включение резерва (АВР) на секционном выключателе 6(10) кВ и на стороне 0,4 кВ трансформаторной подстанции. Для электроприёмников второй категории применяются радиально-кольцевые с точкой разрыва, определяемой из условий минимальных потерь, загрузки кабелей в нормальном режиме [293]. При повреждениях в кабельной сети точка разрыва меняется в зависимости от места повреждения.
При развитии городской кабельной распределительной сети необходимо учитывать, на наш взгляд, кроме факторов, связанных с надёжностью, оптимизацией режимов работы и потерь в сети, факторы, связанные с разработкой ресурсосберегающих методик настройки устройств релейной защиты и автоматики с учётом условий электробезопасности [128, 137, 181, 490]. Решение вопросов резервирования следует рассматривать с учётом перегрузочной способности выбранных КЛ, а также текущего состояния изоляции КЛ и их сроков эксплуатации.
В процессе анализа рассмотрим радиально-кольцевую схему электроснабжения жилого комплекса. К преимуществам данной схемы следует отнести быстрое, в течение 1– 2 часов, проведение оперативных переключений и запитку потребителей, отключаемых при аварийных и ремонтных режимах.
Недостатками данной схемы, на наш взгляд, являются следующие факторы: 1) в режиме кольцевания длина кабельной сети увеличивается, что существенно сказывается на потерях мощности (электроэнергии) и уровне напряжения в конце кабельной ветки (фидера); 2) при подключении дополнительных трансформаторных подстанций (ТП) разной мощности не в любой схеме кабельной сети возможно добиться селективной работы защит с учётом резервирования, а как следствие, будет дополнительное разрушающее воздействие на изоляцию кабелей в режимах коротких замыканий [161] (глава 5); 3) снижение уровня изоляции головных КЛ и КЛ, находящихся в «горячем» резерве [167]; 4) увеличение объёма организационно-технических мероприятий при подготовке рабочего места по выводу КЛ в ремонт. Анализ травматизма за последние 12 лет показывает, что имеют место случаи травматизма в радиально-кольцевой сети [127]. Выполнение технических и организационных мероприятий в таких сетях значительно усложняется и требует много времени, а зачастую не производится в полном объёме.
На основе анализа статистических данных было установлено соотношение повреждаемости КЛ от их местоположения в схеме сети. Для данной оценки необходимо формировать граф схемы сети (фидера) с анализом пробоев изоляции. Характерный пример фрагмента графа фидера радиальной кабельной сети с введённым обозначением КЛ в зависимости от удаления от питающей подстанции: головной, первое удаление, второе удаление и т. д. – представлен на рисунке 2.4, где определено удельное количество коротких замыканий (k ), приходящихся на каждый кабель за время его эксплуатации. Удельное количество КЗ k определялось отношением суммы собственных КЗ (N) за историю эксплуатации КЛ (Tкл) и КЗ на КЛ, находящихся далее по схеме фидера к возрасту эксплуатации кабеля. Оценка проводилась по пробоям изоляции в ранее целом месте кабеля. Анализ по г. Нефтекамску подтвердил данные, полученные по г. Челябинску, на рисунке 2.4, б приведён характерный участок схемы кабельной сети.
Ранее нами [245] было определено среднее время наработки изоляции до отказа, которое для кабелей в голове фидера значимо меньше времени наработки до отказа кабелей, идущих ниже по схеме фидера, несмотря на то, что КЛ, идущие от распределительных трансформаторных подстанций (РТП), выполнены бльшим сечением, чем КЛ между ТП. Установленный факт показывает, что долговечность работы и ресурс изоляции КЛ 6(10) кВ в условиях эксплуатации городской распределительной сети взаимосвязаны с состоянием изоляции КЛ всего фидера и с выбранными уставками и типами устройств релейной защиты и автоматики. К факторам, обуславливающим данный процесс, следует отнести термическое и электродинамическое воздействия и усиление воздействия собственного магнитного поля КЛ, индукция в слоях изоляции (глава 3) в данных режимах достигает 0,2–0,8 Тл (в зависимости от тока КЗ от 10 до 40 кА).
Оценка несимметричного изменения механических свойств фазной бумажной пропитанной изоляции трёхжильного кабеля в условиях эксплуатации
Анализ результатов проведённых исследований по оценке напряжённо-деформированных состояний в звене «КЛ - грунт» с учётом подвижек КЛ в течение годового цикла позволил сформулировать следующие рекомендации: 1) необходимо оптимизировать глубину трассы прокладки кабельной линии и принимать её ниже уровня промерзания грунта, расширить п. 2.3.31 ПУЭ. Данная рекомендация обусловлена тем, что в условиях промерзания грунта наблюдается значительный рост усилий нормального давления, препятствующих безопасному с точки зрения допустимых усилий тяжений распрямлению компенсирующего участка, что может быть необходимо во время морозного пучения грунта и во время электродинамических подвижек кабеля при коротких замыканиях. 2) добавить пункт в регламенты эксплуатирующих КЛ организаций о необходимости мониторинга температуры, влажности, структуры грунта в течение годового цикла непосредственно в месте прокладки КЛ. Использовать полученные данные для определения возможных напряжённо-деформированных состояний грунтовых массивов, взаимодействующих с кабелем с течением времени по мере нескольких циклов его эксплуатации. 3) на сложных трассах городских КЛ необходимо с учётом количества поворотов и изменений в типе грунта по трассе увеличивать количество компенсирующих участков. Внести дополнения в нормативные документы, например в СНиП 3.05.06-85, где указывается, что КЛ должны прокладываться «змейкой» с запасом 1-2 % от длины, но не указывается, где их выполнять. Рекомендуем укладывать компенсаторы перед поворотом и после поворота трассы КЛ; перед и после пересечения автомобильной дороги для снижения вибрационных механических воздействий; на пограничных участках с различными характеристиками грунта. На трассах КЛ, для которых характерны подвижки грунта в зимних условиях, можно рекомендовать прокладывать компенсаторы в специальных пустых лотках, однако необходимо учитывать тепловой режим работы КЛ. 4) внести требование улучшения условий утрамбовки грунта при работе по ремонту городских коммуникаций ниже трассы КЛ (см. рисунок 2.17, б), с выдержкой по времени засыпки трассы до нескольких дней, либо разнесения трасс КЛ и городских коммуникаций (теплотрасс) с увеличением расстояния между ними. 2.5 Оценка теплового режима работы в звене «КЛ – грунт» с учётом образующихся воздушных включений в грунте при подвижках кабеля
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 даёт полной тепловой картины. Разрабатываются способы с использованием оптоволоконных каналов, встроенных в структуру кабеля. Также может использоваться классический тепловой расчёт по тепловой схеме замещения, в которой участвуют тепловые сопротивления изоляции, защитных покровов и окружающей среды.
Разработанные к настоящему времени методы расчёта тепловых полей в кабелях [86, 87, 225, 226, 283, 308, 386, 392] можно разделить на группы: 1. Аналитические, т. е. путём решения уравнения теплопроводности, однако они ограничены рядом частных случаев и допущений. 2. Методы на основе расчёта тепловых схем замещения и использования аналогии между электрическими и термическими сопротивлениями. Они имеют ряд ограничений при расчёте циклических и нестационарных режимов работы кабеля. 3. Численные методы, например, на основе метода конечных элементов.
Методика определения токовых нагрузок силовых кабелей в зависимости от условий прокладки представлена в ГОСТ Р МЭК 60287.
Для оценки теплового режима работы изоляции кабелей в процессе эксплуатации с отличительным учётом характерных режимных (установившихся режимов и режимов КЗ с уставками РЗиА) и эксплуатационных факторов (локальных воздушных прослойках, образующихся при подвижках КЛ и грунта) была рассмотрена задача теплопроводности. В 5 главе представлены результаты теплового расчёта с учётом оптимизации методики выбора уставок РЗиА. Определение температурного поля проводилось с применением численных методов решения дифференциальных уравнений теплопроводности с заданными краевыми условиями с применением пакета ANSYS (лицензия ЮУрГУ: http://supercomputer.susu.ac.ru/users/simulation), использующего метод конечных элементов. Задача рассмотрена в двухмерной постановке с допущением, что температура вдоль кабеля (по оси Z) не изменяется. Расчётная область представлена на рисунке 2.18, а.
Геометрические условия однозначности в компьютерной модели рассмотрены с учётом размеров и структуры кабелей на 10 кВ типа ААШвУ сечением 3120 мм2 и 3240 мм2 [167, 179, 180]. В процессе моделирования температурных полей возник вопрос о том, каких размеров следует задавать грунт (граничное условие), прилегающий к кабелю, чтобы изменение толщины слоя грунта по направлениям «вправо – влево – вниз» от кабеля существенно не влияло на распределение температур. Анализ чувствительности температуры нагрева алюминиевых жил к изменению толщины слоя грунта показал, что уже при увеличении толщины грунтового слоя до 4 метров по направлениям «вправо – влево – вниз» от кабеля полученная в результате теплового расчёта температура жил кабеля стабилизируется и при дальнейшем увеличении толщины грунтового слоя изменяется не более чем на 1 С (для стационарного режима) (рисунок 2.18, б). Таким образом, при составлении геометрической модели толщина слоя грунта над кабелем равна 0,7 м, под кабелем и в обе стороны от кабеля принята по 4 м. На поверхности грунта было задано граничное условие третьего рода, характеризующее закон теплообмена между поверхностью модели и окружающей средой, использован закон Ньютона-Рихмана (коэффициент теплоотдачи =10 (Вт/(м2С), температура окружающего воздуха Т=15 С (стандартная температура для проведения тепловых расчётов кабелей, проложенных в земле [297])). На остальных границах модели по грунту рассмотрены адиабатические условия теплообмена. Мощность внутренних источников тепла для кабеля марки ААШвУ – 3120 – 10 кВ рассчитана для тока в 240 А и принята равной 112 кВт/м3. В расчёте теплопередача между оболочкой кабеля в воздушной прослойке и слоем грунта была смоделирована без учёта конвекции. Справедливость данного допущения обоснована малым значением массовой силы, обусловленной разностью температур, в качестве критерия оценивалось произведение чисел Грасгофа и Прандтля. Со гласно [86] в случае малых значений (GrPr) передачу теплоты можно рас сматривать только теплопроводностью. В нашем случае данное условие можно полагать справедливым при толщине воздушной прослойки до 10 мм. Теплофизические свойства материалов кабеля приняты в соответствии со справочными данными [387].
Исследование распределения электромагнитного поля КЛ 6(10) кВ с позиции безопасности их эксплуатации для человека и оценки режимов их работы
Процесс электродинамического взаимодействия жил трёхфазного силового кабеля ранее был рассмотрен с позиций возникающих механических усилий [36]. Обзор научной литературы не дал ответа на вопрос о количественной оценке энергии, выделяющейся в слоях изоляции кабеля под действием электродинамических усилий. Решение данного вопроса необходимо для уточнения сложного процесса комбинированного старения изоляции КЛ.
Данные гармонические электродинамические усилия во время эксплуатации приводят к переменным механическим воздействиям на изоляцию силовых кабелей. Однако в нормативно-технической документации не оговаривается срок службы изоляции КЛ при возникновении в ней механических напряжений, обусловленных электродинамическим взаимодействием жил, несмотря на то, что в ряде документов указывается на необходимость учёта данного фактора [60] в условиях эксплуатации КЛ и оценки сравнения данного воздействия на ресурс изоляции в рабочих и аварийных режимах работы.
Следует отметить, что ресурсные эксперименты по оценке влияния механического воздействия электродинамических усилий до реального формирования микротрещин (оценки их размеров, формы, методики обнаружения) трудоёмки и довольно длительны, а также требуют существенных материальных затрат. Поэтому в рамках данной работы рассматривается методика сравнительной оценки по энергии, выделяемой в изоляции, от цикла динамического воздействия с энергией до разрушения. Далее, согласно принятой гипотезе линейного суммирования повреждений, формируются оценочные выводы, которые могут быть целесообразны в рамках существующих ограничений времени как метод ускоренных испытаний.
Результаты расчёта удельных усилий (напряжение) на изоляцию кабелей для различных токов приведены в таблице 3.5 (без учёта конструкционных особенностей КЛ, направленных на снижение электродинамических воздействий) [167, 205, 325]. При проведении расчётов не учитывались сопротивление окружающей среды и поверхностный эффект. Расчёт проведён для кабелей марки: ААШв с секторными алюминиевыми жилами с БПИ и общей алюминиевой оболочкой, для участков изоляции вблизи нижнего и бокового закруглений секторных жил (радиус закругления, согласно справочным данным, принят 3 мм); для сравнительной оценки также рассмотрены кабели с изоляцией из СП: А2XSEY с круглыми алюминиевыми жилами и АПвП с тремя однопроводны-ми круглыми алюминиевыми жилами с индивидуальной изоляцией из СП, расположенными треугольником.
Для учёта реакции среды на колебательный процесс (конструкционные элементы кабеля и технологические особенности, препятствующие возникновению колебательного процесса, механические связи между элементами, упругие свойства изоляции) оценка удельных динамических усилий в изоляции кабелей производилась с применением метода конечных элементов в программном модуле ANSYS Mechanical (лицензия ЮУрГУ (НИУ): http://supercomputer.susu.ac.ru/users/simulation). Для целей расчёта был разработан соответствующий алгоритм (рисунок 3.12). К конструкционным мероприятиям, уменьшающим колебательный процесс, относятся: 1) сердечник кабеля: 3 изолированные фазы скручиваются и радиально уплотняются; 2) на предварительно напряженный сердечник накладывается поясная изоляция из 10–12 бумажных лент с натяжением (0,5–0,8) Fразр. ленты; 3) алюминиевая оболочка кабеля выпрессовывается с обжатием и дополнительно нагружает кабель радиальными усилиями сжатия.
Определяются параметры режима работы КЛ с учётом условий эксплуатации в городской распределительной сети и уставок РЗиА (Ua, Ub, Uc; la, lb, Ic; Ікза, ІкзЬ, Ікзс, tРЗиА). Формируются уравнения электродинамических сил между жилами: Flоб=4]С-IisiM, F2об; F3об Рабочий режим it FUКЗ=C Режим КЗ -I sir t + aj-l j Je Ta +Imsm{at + a)-(llJl +Ґа\-е Ta І І деті LL Уравнения, описывающие деформацию твёрдого тела [319]: + F = О - уравнения равновесия элемента объёма J (ег - тензор напряжений; F - объёмные силы, включая инерционные) ди. ди і єі V условия совместности деформаций {є - тензор деформаций; u - вектор перемещений) Физический закон деформирования материала: а = f(e) (для упругого материалаГа..=C, ,є, „ C..,,-тензор упругих констант) 2. Поиск решения численным МКЭ с применением пакета ANSYS: 2.1. Подготовка модели (задаются геометрические характеристики звена «трёхжильный кабель 6(10) кВ грунт». 2.2. Свойства материалов (плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и теплового расширения) 2.3. Выбор типа конечного элемента и формирование сетки разбиения. 0, ди/ =о. /dt 2.4. Граничные условия: u=0 на поверхности Sn . 2.5. Начальные условия: t 3. Оценка в г-ой точке сечения звена «Кабель грунт» перемещений и напряжений: а{Ґ)ху;и{Ґ)ху при t = 0..1Fa6+tРЗиА 4. Данные для сравнительной оценки влияния на изоляцию кабеля 6(10) кВ механического действия электродинамических усилий в рабочих и аварийных режимах работы с учётом уставок РЗиА В качестве расчётной модели была разработана компьютерная 2D модель (см. рисунок 3.12) трёхжильного кабеля с бумажной пропитанной изоляцией, сечением жил 240 мм2 в звене «кабель – грунт». В таблице 3.6 приведены результаты расчёта удельных динамических усилий с учётом дополнительного радиального усилия сжатия, а на рисунке 3.13 – оценка колебаний жил кабеля и напряжений в изоляции в рабочем режиме и режиме КЗ.