CC BY
49
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Ким Владимир Сергеевич
Kim Vladimir Sergeevich
Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет
National research Tomsk Polytechnic University Доцент кафедры Электромеханических комплексов и материалов Associate professor of the Electromechanical Plants and Materials Department
Кандидат физико-математических наук E-Mail: kim_vs@rambler.ru
Лавринович Валерий Александрович
Lavrinovich Valery Alexandrovich Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет
National Research Tomsk Polytechnic University Профессор кафедры Электроэнергетических систем Professor of the Electric Power Systems Department
Доктор технических наук E-Mail: lavrhome@rambler.ru
Анисимова Ольга Александровна
Anisimova Olga Alecsandrovna Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет
National Research Tomsk Polytechnic University Доцент кафедры Электромеханических комплексов и материалов Associate professor of the Electromechanical Plants and Materials Department
Кандидат технических наук E-Mail: olan70@rambler.ru
05.09.02 «Электротехнические материалы и изделия»
Методика экспериментального определения номинальных токовых
нагрузок кабельных изделий
Experimental determination method of rated electrical current for cables
Аннотация: Предложена методика экспериментального определения номинальных токовых нагрузок кабельных изделий. Для оценки точности методики, проведено сравнение экспериментально измеренных токовых нагрузок с результатами стандартного теплового расчета кабеля. Обсуждаются возможные области применения предлагаемой методики.
The Abstract: The experimental determination method of the rated current for cables is presented. To assess the accuracy of the method, the experimentally measured rated currents are compared with the results of standard cable thermal analysis. The possible applications of the proposed method are discussed.
Ключевые слова: Номинальный ток, методы испытаний кабелей, эксплуатация кабелей.
Keywords: Rated electrical current, cable testing methods, operation of cables.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Номинальные токовые нагрузки /ном рассчитывают согласно ГОСТ Р МЭК 60287-1-12009 и ГОСТ Р МЭК 60287-2-1-2009 с учетом конструкции и условий прокладки кабельных изделий (КИ). Точность определения номинальных токовых нагрузок чрезвычайно важна. Эксплуатация кабеля при превышении /ном ведет к ускорению процессов старения изоляции и преждевременному выходу изделия из строя, а заниженное значение /ном приводит к снижению эксплуатационной эффективности кабеля. Однако, известны случаи, когда заявленные производителем номинальные токовые нагрузки отдельных марок КИ вызывают сомнение.
Верхним пределом токовой нагрузки КИ является /ном при одиночной прокладке на открытом воздухе. Возможность экспериментального измерения этой характеристики представляется актуальной как для производителей, так и для потребителей кабельнопроводниковой продукции. В данной работе предложен метод экспериментального измерения /ном, который позволяет провести сравнение эксплуатационных характеристик, заявленных производителем с реальными возможностями конкретного КИ. Кроме того, данный метод позволяет измерить температурные профили, возникающие в конструкции КИ при работе. Такая информация необходима для более точного моделирования условий старения и более точной оценки ресурса КИ.
Установка для измерения номинальных токовых нагрузок
Ресурс и надежность работы КИ определяются рабочей температурой материала изоляции. Эта информация содержится в документации производителя материала и определяет температуру, при которой старение изоляции не приводит к ухудшению свойств ниже определенного предела в течение всего срока эксплуатации КИ. В предлагаемой методике, рабочая температура изоляции является базовым параметром, по величине которого определяется максимально допустимый ток в конкретном кабельном изделии. В случае отсутствия данных о рабочей температуре материала изоляции, она должна быть определена другими методами, например термогравиметрическим анализом.
В стационарном режиме, температура изоляции КИ зависит от электрического сопротивления токопроводящей жилы (ТПЖ), а также от условий теплообмена: теплового сопротивления элементов конструкции КИ и окружающей среды. За номинальное значение тока /ном принимается ток, который в стационарном режиме приводит к нагреву токопроводящей жилы КИ до температуры, равной рабочей температуре изоляции.
Для создания контролируемой токовой нагрузки в образце КИ собрана экспериментальная установка. Основным элементом установки является силовой трансформатор, который позволяет плавно регулировать ток, протекающий через испытуемый образец кабеля до 5 кА при питании от сети ~220 В. Токовая нагрузка контролируется измерительным трансформатором тока с классом точности 0,2.
При проведении измерений в течение нескольких десятков часов необходимо учитывать возможные отклонения напряжения в сети от номинального и колебания температуры окружающего воздуха. В практически обоснованных условиях измерений, используя стабилизирующий трансформатор и кондиционирование помещения, можно достичь снижения влияния этих факторов до уровня, позволяющего определять номинальную токовую нагрузку с погрешностью ~1...1,5%. В данной работе, при отработке методики, нейтрализовать перепады напряжения не представлялось возможным и погрешность измеренных /номэксп оценивается в 2%.
Принципиальная схема установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: АТр - регулировочный
автотрансформатор; ТП - трансформатор понижающий; А - амперметр; Як -испытуемый кабель; Т- термопара; ТОКР - термометр для измерения температуры
окружающей среды
Измерения температуры проводятся на образцах КИ длиной 2...5 м с помощью термопар типа К (хромель-алюмель), которые до 200 °С имеют линейную зависимость напряжения от температуры спая. Предварительно термопары калибруются с помощью эталонных ртутных термометров класса точности 1,0. Ртутный термометр также используется для контроля температуры окружающего воздуха, которая должна сохраняться постоянной в течение всего времени испытаний.
Для определения температурного профиля в конструкции КИ, используются три термопары, спаи которых расположены на поверхностях токопроводящей жилы (Тж), изоляции (Ти) и оболочки (То). Область расположения термопар выбирается по возможности равноудаленной от медных шин экспериментальной установки, вблизи которых лучшие условия теплоотвода могут сказаться на результатах измерений.
Спаи термопар погружены в отверстия или надрезы, не повреждающие поверхность области измерения температуры. Чтобы исключить возможность смещения спаев термопар, они фиксируются специальным теплопроводящим клеем со стабильной теплопроводностью в интервале температур от -60 до +300 °С. Дополнительно выводы термопар фиксируются лавсановой лентой или хлопчатобумажными нитями. Общий вид образца провода с установленными термопарами показан на рис. 2.
Рис. 2. Общий вид крепления термопар на образце кабеля
Для создания квазистационарного теплового потока в образце КИ, увеличение тока производится ступенчато. Шаг изменения токовой нагрузки подбирается эмпирически для каждой данной конструкции КИ. В данной работе шаг составлял 0,2 /ном. После каждого повышения токовой нагрузки образец выдерживается в течение времени, достаточного для установления равновесного температурного профиля. Время установления равновесия тем больше, чем больше конструкционных элементов содержит КИ (поясная изоляция, защитные покровы и т.п.) и чем больше геометрические размеры кабеля. Увеличение тока производится вплоть до начала плавления изоляции или до размягчения оболочки. По окончании измерений, величина номинальной токовой нагрузки /ном определяется графически по измеренным зависимостям температуры ТЖ от величины тока I.
Результаты измерения номинальной токовой нагрузки
Испытания проводились при температуре 25 °С, на образцах одножильного провода на напряжение 1 кВ, с изоляцией из термоэластопласта олефинового типа (рабочая температура 90 °С) и оболочкой из термоэластопласта уретанового типа, разделенных поясной изоляцией из пленки ПЭТ. Исследовались образцы провода двух сечений:
• сечение ТПЖ 2,5 мм2, толщина изоляции 1 мм, оболочки 0,9 мм, поясной изоляции 0,07 мм;
• сечение ТПЖ 120 мм2, толщина изоляции 1,4 мм, оболочки 1,5 мм, поясной изоляции 0,1 мм.
Время установления стационарного теплового потока составило 10 мин для провода с 22 сечением ТПЖ 4 мм и 20 мин для провода 120 мм .
Полученные зависимости температур Тж, Ти и То для двух сечений провода представлены на рис. 3 и 4, соответственно. Рабочая температура изоляции (90 °С) отмечена пунктирной линией, точка пересечения с зависимостью Тж(1) определяет величину номинальной токовой нагрузки.
Рис. 3. Зависимость температур жилы (верхняя кривая), изоляции и поверхности оболочки
(нижняя кривая) для провода сечением 2,5 мм2
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
100
200
300
400
500
600
Ток, А
700 800
Рис. 4. Зависимость температур жилы (верхняя кривая), изоляции и поверхности оболочки
(нижняя кривая) для провода сечением 120 мм2
С целью проверки точности измеренных величин номинальных токов, для рассматриваемой конструкции провода проведен стандартный тепловой расчет при уединенной прокладке на открытом воздухе. Сравнение результатов расчета и экспериментальных измерений представлено в Табл. 1.
Таблица 1
Сравнение расчетных (уединённая прокладка на открытом воздухе) и экспериментальных значений номинальных токовых нагрузок провода сечений 2,5 и
120 мм при температуре воздуха 25 °С.
Сечение провода, 2 мм Измеренная номинальная токовая нагрузка 1номэксп, А Расчетная номинальная токовая нагрузка 1номрасч, А Относительная погрешность 5, %
2,5 39,5±0,8 42,83 7,7
120 495±9,9 507,45 2,5
Величина расхождения экспериментально измеренной номинальной токовой нагрузки по сравнению с расчетной невелика, что свидетельствует о практической применимости предлагаемой экспериментальной методики. В то же время, для обоих сечений получены заниженные по сравнению с расчетом значения. Расхождение тем больше, чем меньше сечение кабеля: 7,7% для сечения 2,5 мм2 и 2,5% для сечения 120 мм2.
Известно [1], что вследствие принимаемых огрублений и допущений, стандартная методика теплового расчета обладает большей точностью в случае кабелей сечения более 30 мм2. Наибольшее внимание уделяется, как правило, тепловому расчету кабелей высокого напряжения [2,3]. Сравнение результатов расчета номинальных токовых нагрузок с данными эксперимента показывает, что предлагаемая методика может быть особенно полезна для определения номинальных токов кабелей и проводов малого сечения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Основы кабельной техники. Учебное пособие для вузов /В. А. Привезенцев, И.И. Гроднев, С.Д. Холодный, И.Б. Рязанов: Под ред. В.А. Привезенцева. - М: «Энергия», 1975. - 472 с.
2. Ларина Э.Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии, М.: Энергоатомиздат, 1996, 464 с.
3. Войденов Н.Н. Вопросы расчета, конструирования, производства и испытания кабельных изделий. М.,1987, 320 с.
Рецензент: Ушаков Василий Яковлевич, профессор, доктор технических наук, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
