CC BY
162
УДК 595.119(035)
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ С ПРОПИТАННОЙ БУМАЖНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
Старжинская Н.В., к.т.н., доцент, ФГБОУ ВПО «ФГБОУВПО «ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова», г. Новороссийск, e-mail:
karbovets_n@mail.ru
Халезин А.А., аспирант, ФГБОУ ВПО «ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова», г. Новороссийск, e-mail: Khalezin33@mail.ru
В работе рассмотрены основные причины старения изоляции силовых кабелей, используемых в морском торговом порту. Проведена оценка остаточного ресурса силового кабеля с учетом меняющейся температуры нагрева кабеля в процессе его эксплуатации. А также определен остаточный ресурс кабеля с пропитанной бумажной изоляцией в условиях возникновения коротких замыканий. Приведены результаты вычислений остаточного ресурса для различных моделей оценки (АО -градусное правило, закон Вант Гоффа-Аррениуса).
Ключевые слова: ресурс, силовой кабель, пропитанная бумажная изоляция, АО - градусное правило, закон Вант Гоффа-Аррениуса.
THE ESTIMATION OF THE TECHNICAL CONDITION OF POWER CABLES WITH THE IMPREGNATED INSULATION PAPER DURING OPERATION AND IN THE
CONDITIONS OF SHORT CIRCUITS
Starzhinskaya N., Candidate of Technical Sciences, assistant professor, FSBEIHPE «Admiral Ushakov Maritime University», Novorossiysk,
e-mail: karbovets_n@mail.ru
Halezin A., the post-graduate student, FSBEI HPE «Admiral Ushakov Maritime University», Novorossiysk, e-mail: Khalezin33@mail.ru
The basic reasons of aging of power cables insulation used in sea trade port have been considered in article. The estimation of the residual resource of the power cable has been carried out taking into account the changing cable heating temperature during operation. And also the residual resource of a paper-insulated cable in the conditions of short circuits has been defined. The results of a residual resource for different models of an estimation are given (АО - degree rule, the Van't Hoff law).
Keywords: resource, the power cable, the impregnated insulation paper, the АО - degree rule, the Van't Hoff law.
Основным типом кабелей, применяемых в ОАО «Новороссийский морской торговый порт» (ОАО НМТП), являются кабели с пропитанной бумажной изоляцией (ПБИ) в металлической оболочке. Применение кабелей с пропитанной бумажной изоляцией обусловлено рядом причин. В первую очередь, наличием развитой производственной базы на предприятиях, осуществляющих выпуск силовых кабелей, а также устойчивым спросом на этот тип кабелей, как в России, так и в других странах. Во-вторых, это связано с уровнем готовности энергосистем к использованию в кабельных сетях кабелей с полимерной изоляцией взамен эксплуатирующихся в течение многих лет кабелей с ПБИ.
От технического состояния кабельных линий во многом зависит надежность работы электроэнергетического оборудования морского порта в целом. В процессе эксплуатации электрическая изоляция подвергается воздействию электрического и теплового поля, увлажнению, механическим напряжениям и влиянию агрессивных сред. Все это приводит к старению изоляции и выходу кабелей из строя. Около 40 % всех отказов силового электрооборудования морских портов связано с нарушением электрической прочности изоляции. В частности, короткие замыкания в кабельных линиях чаще всего происходят из-за нарушения изоляции токопроводящих частей в результате механического повреждения, старения, воздействия влаги и агрессивных сред, а также неправильных действий людей.
Следует учитывать также, что кабельные линии, как правило, труднодоступны для эксплуатационного персонала, поэтому необходимо проводить достоверную оценку их технического состояния по известным диагностическим данным с учетом интенсивности воздействия эксплуатационных факторов.
Таким образом, электрическая изоляция определяет ресурс (наработку) кабеля. Ресурс электрической изоляции силовых кабелей характеризует фактическую наработку кабеля до отказа. Технический ресурс - это суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние, а наработка определяется как продолжительность или объем работы объекта. Предельным называется состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, или неустранимого снижения уровня работоспособности, или недопустимого снижения уровня эксплуатации [1, 2].
Ресурс изоляции силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией во многом определяется тепловыми режимами их работы в процессе эксплуатации, которые, в свою очередь, зависят от типа кабеля, температуры окружающей среды, условий прокладки, а также от значения протекающего по жилам кабеля электрического тока.
Помимо оценки остаточного ресурса силовых кабелей с учетом воздействия эксплуатационных факторов, необходимо проводить анализ состояния кабелей после воздействия токов короткого замыкания, а также определять их пригодность к дальнейшей эксплуатации при температуре нагрева жил кабелей с ПБИ свыше 200 °С, но не более 300 °С.
При этом допускается временная эксплуатация таких кабелей до их замены в течение более 1 года. При температуре нагрева жил кабелей выше указанных значений, остаточный срок службы кабелей считается незначительным, а сами кабели непригодны и подлежат немедленной замене [2]. Таким образом, ограничения по срокам службы кабелей связаны с процессами их нагрева.
Определить фактический срок службы кабелей в зависимости от температуры нагрева жил можно двумя способами [2]:
- по А$ - градусному правилу;
- с помощью закона Вант Гоффа-Аррениуса.
Нормативный ресурс применяемых в ОАО НМТП силовых кабелей СБГ 3х185+1х95-1, согласно документации, составляет не менее 30 лет [3]. Во время эксплуатации силовой кабель СБГ может находится в температурном диапазоне от -50 °С до +50 °С, при этом допускается относительная влажность воздуха до 98 % при температуре +35 °С. Нормативное значение температуры для кабелей с ПБИ принимается
О _ , г-, г\оо_Qfl0/^
равным 0 ; предельная длительно допустимая рабочая температура жил ; предельно допустимая темпе-
;?=90°Г
ратура нагрева жил кабелей в аварийном режиме (или режиме перегрузки) ; предельно допустимое значение температуры
= 200 °С
нагрева при коротком замыкании - доп [3].
Температура доп является абстрактной границей сработанного кабелем фактического ресурса, равного (К0-1), за время нагрева К.
до этой температуры. Если кабель за время К' не нагрелся до температуры доп , то фактический сработанный ресурс не определен, а если нагрелся, то определен и равен (К„-1). Таким образом, согласно литературным источникам [2], силовой кабель за время работы в ненормативных условиях (например, при коротких замыканиях), которые привели к его нагреву до указанных выше температур, срабатывает фактический ресурс в объеме К0=1 год. Я - ресурс электрооборудования при его работе в нормативных (расчетных, проектных) условиях (известная величина, определяемая из паспорта или технических условий на эксплуатацию кабеля).
$0 $ К. = 4Т
0 ™ ™,™™т,™, доп определяется выражением (1). При -1
Зависимость нагрева кабеля от начальной температуры процесс можно считать установившимся [2].
+ -»О)
до температуры
R.
Г г
1 - exp
v
j
V
J)
(1)
А
где 0 - нормативное значение температуры нагрева жилы кабеля;
А
доп - предельно допустимое значение температуры нагрева при коротком замыкании; Rj - время нагрева жилы кабеля до температуры;
Т- постоянная времени при известных условиях прокладки кабеля; для кабеля с пропитанной бумажной изоляцией сечением 185 мм2
Г = 40
равна мин.
При коротких замыканиях время нагрева кабеля ограничивается действием релейной защиты, как правило, равное 2 ■ 4 с Для определения технического ресурса силовых кабелей воспользуемся математическими моделями комплексной оценки ресурса электрооборудования, использующими А$ - градусное правило и закон Вант Гоффа-Аррениуса [2]. Для Л&- градусного правила сшботанный технический DeevDC кабеля опоеделяется вышжением:
К
( R: â-i%
7=1
J'
0
о
, &доп 4
■1п
4 Т
\
dr - Rj
.
Для закона Вант Гоффа-Аррениуса выражение для определения сработанного ресурса запишется в виде:
(2)
К
R = *o+l
j=i
î 1
&
î 1
h 4оя 4
0
л
•ln
4 Т
dr — R,
V
/
(3)
Если же в процессе эксплуатации кабель подвергся короткому замыканию, то выражения для определения фактического сработанного ресурса запишутся в следующем виде [2]. Для Аф - градусного правила:
í ,4 (Л \ ( \ \
К
7=1
А
$доп
" г?0+я
-+а
&до„+а ]
â0 +а
-4
R;
J'
•1п
R0-1
1 S_ln?àon+a
12 b
û0+a
dr-Rj
v
(4)
где I - величина тока короткого замыкания;
- поперечное сечение кабеля, мм2; В - постоянная, характеризующая теплофизические характеристики материала жилы, равная для меди 19,58 мм4/(кА2-с); а - величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0°С, равная 228°С;
К. - длительность воздействия тока I (5 кА); допустимый ток односекундного короткого замыкания кабелей с ПБИ изоляцией с сечением жилы, 185 мм2 - 20,39 кА.
Для закона Вант Гоффа-Аррениуса:
К
7=1
. &п„+а —+а $0+а ( ,1 Л $6оп+а х А+а А
(Ъоп-ЦЬ)
1п
Я,
I'
г*
,2 &доп+Я г?0+а
+г?0а
йбоп+а г?0 +а
Ш.
I2 ъ
А
1п- доп
+а
г90 +а
с1г-Я]
\
)
(5)
Исследуем зависимости фактического сработанного и остаточного ресурса рассматриваемого кабеля с ПБИ, СБГ 3х185+1х95-1, от температуры нагрева жил, с учетом длительности нахождения его в эксплуатации, используя выражения (2), (3). Следует учесть, что несмотря на круглосуточную работу кабельных линий, токовые нагрузки, а, следовательно, и температура нагрева, постоянно меняются. Поскольку циклически выполняется одна и та же работа, примем, что кабель эксплуатировался с температурой 50-60°С. Нормативный остаточный ресурс рассматриваемого кабеля определим с помощью выражения:
= я0 - я
(6)
Вычисления проведем в математическом редакторе MathCAD при известных параметрах, приведенных выше. Результаты исследований для /-градусного правила и закона Вант Гоффа-Аррениуса приведены на рис.1 - 4.
Риа 1. Зависимости фактического сработанного ресурса кабеля (по Аф - градусному правилу) от температуры нагрева для не эксплуатировавшегося ранее кабеля (кривая 1) и при времени нахождения кабеля в эксплуатации равном: 2, 3 - 12 лет (при температуре 50°С и 60°С соответственно); 4, 5 - 17 лет (при температуре 50°С и 60°С соответственно)
Рис. 2. Зависимости фактического сработанного ресурса кабеля (по закону Вант Гоффа-Аррениуса) от температуры нагрева для не эксплуатировавшегося ранее кабеля (кривая 1) и при времени нахождения кабеля в эксплуатации равном: 2, 3 - 12 лет (при температуре 50°С и 60°С соответственно); 4, 5 - 17 лет (при температуре 50°С и 60°С соответственно)
30 зи
27
24
Яос(9) 21
К1ос(0) 18
■ ■ • а
Р!2ос(е) 15
ИЗос(в) 12
Р!4ос(9) 9
6
3
о
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
О Э,°С 90
Рис. 3 Зависимости остаточного ресурса кабеля (по Л& - градусному правилу) от температуры нагрева для не эксплуатировавшегося ранее кабеля (кривая 1) и при времени нахождения кабеля в эксплуатации равном: 2, 3 12 лет (при температуре 50°С и 60°С соответственно); 4, 5 - 17 лет (при температуре 50°С и 60°С соответственно)
Рис. 4. Зависимости остаточного ресурса кабеля (по закону Вант Гоффа-Аррениуса) от температуры нагрева для не эксплуатировавшегося ранее кабеля (кривая 1) и при времени нахождения кабеля в эксплуатации равном: 2, 3 - 12 лет (при температуре 50°С и 60°С соответственно); 4, 5 - 17 лет (при температуре 50°С и 60°С)
Сравнивая результаты расчетов, приведенных на рис.1-4, следует отметить, что выражение для определения сработанного ресурса кабеля по - градусному правилу является более строгим, т.к значения сработанного ресурса выше. Поэтому для оценки ресурса рассматриваемого кабеля целесообразнее пользоваться выражением (2).
Как отмечено ранее, в процессе эксплуатации кабель может подвергаться воздействиям токов короткого замыкания. В этом случае остаточный ресурс кабеля значительно сократится. Определим далее фактический сработанный ресурс рассматриваемого кабеля при воздействии на него тока короткого замыкания величиной 5 кА. Результаты исследований для Аф - градусного правила и закона Вант Гоффа-Аррениуса приведены на рис.5 и рис.6 соответственно.
Рис. 5. Зависимости фактического сработанного ресурса кабеля (по Аф - градусному правилу) от начальной температуры нагрева при
коротком замыкании, длительностью: 1 2 с; 2 - 3 с; 3 - 4 с
30
[43(011)
К5(Эп)
0
30" 9 й /
27" а я 1 ,'
24" 21" « а » /
1 / Г /
18" 1 ■ / Г ¿^г
15" 12- # * # / -2
9" * / е ■ У / / — 1
6" 3" • * .' А* У /
* -1- - - - -
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 О 9п,"С 130
Рис. 6. Зависимости фактического сработанного ресурса кабеля (по закону Вант Гоффа-Аррениуса) от начальной температуры нагрева
при коротком замыкании, длительностью: 1 - 2 с; 2 - 3 с; 3 - 4 с
Сравнивая результаты расчетов, приведенных на рис.5-6, следует отметить, что в случае короткого замыкания при начальной температуре
А = 70° С
нагрева кабеля меньше нормативного значения и более строгим является выражение для определения сработанного ресурса
А = 70° С
кабеля по закону Вант Гоффа-Аррениуса (5). При начальной температуре нагрева кабеля больше нормативного значения более строгим является выражение для &■& - градусного правила (4). Поэтому для большей точности результатов расчета следует воспользоваться более строгим выражением.
Проведенные в процессе исследования расчеты, показывают, что фактический остаточный ресурс силовых кабелей с ПБИ, применяемых в морских портах в значительной степени зависит от температуры нагрева жил кабеля как в процессе эксплуатации, так и при возникновении коротких замыканий. Кроме того, как показывают расчеты, остаточный ресурс зависит также от длительности нахождения кабеля в эксплуатации. В условиях же коротких замыканий фактический остаточный ресурс силовых кабелей зависит также и от длительности воздействия токов короткого замыкания, т.е от времени срабатывания защиты.
Таким образом, на основании нормативно-технической документации, а также эксплуатационных параметров применяемых кабелей можно определить фактический остаточный ресурс используемых кабелей. Затем на основании расчетов принимать решения об их замене или продолжении эксплуатации. Оценка остаточного ресурса силовых кабелей, а также их диагностика является актуальной задачей для обеспечения надежности кабельных линий и, следовательно, поддержания работоспособного состояния электроэнергетического оборудования.
Литература:
1. ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения».
2. Справочник инженера по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электрических станций и сетей. Централизованное и автономное электроснабжение объектов, цехов, промыслов, предприятий и промышленных комплексов/ под ред. А.Н. Назарычева. - М.: «Инфра-Инженерия», 2006. - 928 с.
3. ГОСТ 18410-73 «Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией. Технические условия».
