Компьютерное моделирование нагрева одножильных кабелей с ПВХ изоляцией Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Computer simulation of the heating of single-core cables with PVC insulation Shleinikov V.1, Bazlov D.2, Baykasenov D.3, Suleev M.4 (Russian Federation) Компьютерное моделирование нагрева одножильных кабелей

с ПВХ изоляцией Шлейников В. Б.1, Базлов Д. А.2, Байкасенов Д. К.3, Сулеев М. А.4

(Российская Федерация)

1Шлейников Вячеслав Борисович /Shleinikov Vyacheslav - кандидат технических наук, доцент; 2Базлов Дмитрий Александрович / Bazlov Dmitriy - студент; 3Байкасенов Дамир Куандыкович /Baykasenov Damir - студент; 4Сулеев Муса Айратович /Suleev Musa - студент, кафедра электро- и теплоэнергетики, электроэнергетический факультет, Оренбургский государственный университет, г. Оренбург

Аннотация: в статье приводятся описание компьютерной модели нагрева одножильных ВВГ кабелей, методика расчёта постоянной времени нагрева и износа изоляции кабеля. Abstract: the article describes a computer model of the heating of single-core cable with PVC insulation, the method of calculating the heating time constant and insulation deprecation of the cable.

Ключевые слова: методика расчёта постоянной времени нагрева, определение износа изоляции кабеля.

Keywords: method of calculating the heating time constant, insulation deprecation of the cable.

Опираясь на теоретические сведения и результаты проведенных экспериментов по определению тепловых характеристик [1], разработана кроссплатформенная прикладная программа, предназначенная для математического моделирования процесса нагрева и охлаждения одножильных ВВГ кабелей. Программное обеспечение (ПО) выполнено на языке программирования Object Pascal в среде программирования Lazarus.

После запуска ПО необходимо на титульном окне (Рисунок 1) нажать на кнопку «Выполнить расчет», откроется окно ввода исходных данных (Рисунок 2).

Рис. 1. Титульное окно программы

Исходные данные (сечение токопроводящей жилы, момент отключения нагрузки и величина измеренного тока, протекающего по кабелю) могут быть получены с помощью лабораторного стенда для экспериментального исследования процесса нагрева

проводников [2]. Например, необходимо определить тепловые характеристики для электрического кабеля ВВГ 1х4 (Рисунок 3) при моменте отключения нагрузки = 165 с и величине измеренного тока - 65 А.

Рис. 2. Окно ввода исходных данных

На основании теоретических сведений [4] постоянную времени нагрева для рассматриваемого кабеля вычисляют по формуле

Г

т = я

т

Сж ' тж + Сиз

т

л

из

2

(1)

где тж = рж ' V = рж ' Р ' I -

масса жилы, кг;

т

из г из

Риз ' К = Риз 'Л'

Л2

Л

из

р Л

' I -

масса изоляции, кг;

Рж = 8930 - плотность меди, кг/м3;

РпВХ = 1350 - плотность поливинилхлорида, кг/м3 [7];

I = 2 - длина одножильного электрического кабеля ВВГ 1х4

Согласно [4], тепловое сопротивление изоляции кабеля вычисляют по формуле

ЯТ = Кз + Кб =

о ' /

+ ■

й

об

пов.ж /1ПВХ о пов.из /1ПВХ

о ' /

^ гтп£? ч-з

(2)

2

где St,

= 2■ ж-/■лКж

Я =2■ж-1 ■

Я пов .из 2 ж 1

ж

площадь поверхности жилы, м ;

К,

л

ж

+ 5,

- площадь поверхности изоляции, м

Рис. 3. Структура одножильного кабеля ВВГ 1х4

После выполнения математических преобразований, формула расчёта постоянной времени нагрева кабелей принимает следующий вид

5„

(К ^

К + 5

Т = -

+ 5об-2■ ж■ °ж' рж• К +сиз' Риз к

2■ ж-X

■пвх

• — •

+5

V

-+5из +5об

К ж

(3)

где 5из - толщина стенки изоляции, м [6]; 5об - толщина стенки оболочки, м [6]; К - сечение жилы электрического кабеля, мм2 [6]; Сж - теплоёмкость меди, Дж/кг-°С [6];

сиз - теплоёмкость изоляции (ПВХ), Дж/кг-°С [4];

Хпвх - коэффициент теплопроводности ПВХ, Вт/(°С-м) [4].

Немаловажным расчётным параметром является величина износа изоляции кабеля. Физический смысл понятия износ изоляции (относительное «старение» кабеля) заключается в том, что за час работы при установленном нагреве, проводник состарится так, как будто он работал указанное число часов при обычном нагреве, допускаемом нормами длительно [5]. Величина износа изоляции определяется в соответствии с [3]:

И = 2

(4)

2

8

где ^ =73,

1 - е Т

+ т0 'в

Т-

описывает процесс превышения нагрева

V У

проводника от превышения температуры проводника по нормам до установившейся температуры.

Впоследствии ввода исходных данных следует нажать на кнопку «Выполнить расчёт». Результаты расчёта представлены на рисунке 4.

г

г

Расчётные величины:

Температура в момент отключения 102,911 °С

Превышение установившейся

температуры при токах 100,535 отличающихся от 1доп

Установившаяся температура 125,535

Величина допустимого тока 41 а

Постоянная времени нагрева* 110,628 с

Износ изоляции кабеля* 232,949754532103 ч

Рис. 4. Окно расчёта тепловых характеристик кабеля

Рис. 5. Окно ввода данных для построения характеристики

43

Далее необходимо построить тепловую характеристику на основе рассчитанных величин. Для этого необходимо нажать на кнопку «Выполнить построение графика». В окне программы будет выведена тепловая характеристика и основные параметры расчета, характеризующие процесс нагрева и охлаждения одножильного ВВГ кабеля (Рисунок 6).

Для удобства использования, в программу интегрирован модуль взаимодействия с Microsoft Office Word 2010. Это значит, что при необходимости, все результаты проделанной работы можно свести в документ MS Word, затем использовать полученные данные для создания отчётов по лабораторной работе или для других технологических нужд. Кроме того, пользователь имеет возможность сбросить все значения, нажав кнопку «Сброс результатов» в нижнем правом углу (Рисунок 5).

Рис. 4. Окно построения тепловых характеристик кабеля

Вывод: Разработанная на основе моделирования программа позволит выполнить планирование эксперимента с использованием лабораторного стенда [2] с целью разработки средств индикаторного контроля накопленного износа изоляции кабелей для разработки способов экспресс оценки остаточного ресурса силовых кабелей.

Литература

1. Базлов Д. А., Байкасенов Д. К. Исследование процесса нагрева и охлаждения проводников // Перспектива. Сборник статей молодых учёных. Часть I. Оренбург: Участок оперативной полиграфии ОГУ, 2016. Вып. 19. С. 149-153.

2. Базлов Д. А., Байкасенов Д. К. Лабораторный стенд для экспериментального исследования процесса нагрева проводников // Новая наука: современное состояние и

пути развития. Уфа: Общество с ограниченной ответственностью «Агентство международных исследований», 2016. Вып. 4-3. С. 15-17.

3. Базлов Д. А., Байкасенов Д. К. Влияние нагрева на износ изоляции кабеля при защите плавкими предохранителями // Интеграция науки, общества, производства и промышленности. Сборник статей Международной научно-практической конференции. Уфа: Общество с ограниченной ответственностью «Аэтерна», 2016. С. 3-6.

4. Баскаков А. П. Теплотехника: учебник для вузов / А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт и др. М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

5. Лившиц Д. С. Нагрев проводников и защита предохранителями в электросетях до 1000 В / Лившиц Д. С. М.: «Энергия», 1967. 74 с.

6. ГОСТ 31996-2012. Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ. Общие технические условия. Введ. 2014-01-01. Москва: Стандартинформ, 2013. 38 с.

7. Дворкин Л. И. Справочник по строительному материаловедению: учебно-практическое пособие / Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин. Москва: Инфра-Инженерия, 2010. 472 с.

Adjustable hydrodiode Kaygorodov S.1, Pilyugin O.2, Gavrilov A.3, Shus'kin A.4, Deriglazova M.5

(Russian Federation) Регулируемый гидродиод Кайгородов С. Ю.1, Пилюгин О. И.2, Гаврилов А. О.3, Шуськин А. П.4, Дериглазова М. Ю.5 (Российская Федерация)

1Кайгородов Сергей Юрьевич /Kaygorodov Sergey - ассистент преподавателя; 2Пилюгин Олег Игоревич /Pilyugin Oleg - студент; 3Гаврилов Андрей Олегович / Gavrilov Andrei - студент; 4Шуськин Антон Павлович /Shus'kin Anton - студент, кафедра гидромеханики и транспортных машин, факультет транспорта нефти и газа; 5Дериглазова Марина Юрьевна /Deriglazova Marina - абитуриент магистратуры, Омский государственный технический университет, г. Омск

Аннотация: рассказывается об устройстве регулируемого гидродиода. Описана его конструкция. Доказываются достоинства регулируемого гидродиода.

Abstract: describes the device adjustable hydrodiode. Described its design. Proved advantages of adjustable herodiade.

Ключевые слова: регулируемый гидродиод, соосно, гидропневматический прямоточный диод. Keywords: adjustable hydrodiode, coaxial, hydropneumatic ramjet diode.

В гидропневматическом диоде, содержащем прямоточный канал для прохода жидкой или газообразной среды, в котором установлен, по крайней мере, один рабочий элемент в виде втулки с поверхностью, имеющей наклон в сторону прямого потока, соосно каналу установлен стержень с возможностью его перемещения и фиксации вдоль оси канала диода, на котором неподвижно закреплен вспомогательный элемент, имеющий форму тела вращения с наружной поверхностью, имеющей наклон в сторону прямого потока.

На рис. 1 -3 изображен гидропневматический прямоточный диод круглого сечения, в котором рабочим элементом является втулка в виде полого конуса, имеющего наклон в сторону прямого потока. У стенок диода установлены кольца в виде треугольников в перпендикулярном оси сечении. Соосно каналу установлен стержень с возможностью его перемещения и фиксации вдоль оси канала диода по резьбе, находящейся в стабилизирующих решётках.