Оценка теплового режима работы изоляции в 2d-модели звена «Кабель 6(10) кВ грунт» в ANSYS с учетом подвижек грунта и уставок устройств релейной защиты Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311

ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ИЗОЛЯЦИИ В 2D-МОДЕЛИ ЗВЕНА «КАБЕЛЬ 6(10) КВ - ГРУНТ» В ANSYS С УЧЕТОМ ПОДВИЖЕК ГРУНТА И УСТАВОК УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

А.В. Коржов

В статье на примере действующих городских кабельных линий 6(10) кВ и опытных образцов определены подвижки грунта и кабеля в течение годового цикла эксплуатации. Экспериментальные исследования проводились путем замеров глубины залегания в выбранных точках кабельных линий, проложенных в разных условиях с использованием прибора RIDGID SeekTech SR-20. Анализ результатов показал, что подвижки кабельных линий в течение годового цикла значимы и могут приводить к образованию опасных механических напряжений и образованию пустот. Для оценки теплового режима изоляции кабелей с учетом вероятных размеров, образующихся при подвижках кабеля и грунта пустот, были разработаны 2D-модели звена «кабель 6(10) кВ - грунт» в ANSYS. Тепловой режим работы изоляции анализировался в рабочих и аварийных режимах работы кабеля с учетом принятых уставок устройств релейной защиты и автоматики. По результатам моделирования были определены вероятные зоны перегрева изоляции кабеля и скорректирована тепловая схема замещения, применяемая для расчета длительно допустимых токов.

Ключевые слова: кабель, изоляция, релейная защита, тепловой расчёт, грунт, схема замещения.

В условиях эксплуатации влияние на режим работы изоляции кроме режимных параметров оказывают и факторы монтажа трассы кабельной линии, выбора глубины прокладки [1-4].

Проведенный нами ранее анализ напряженно-деформированного состояния и движения грунта, взаимодействующего с кабелем во время весеннего увлажнения и зимнего промерзания, показал возможность формирования пустот, способных стать причиной перегрева участков кабельных линий [3]. К аналогичным выводам привели и практические исследования на опытных и действующих кабельных линиях в грунте.

Для определения возможных подвижек кабеля в грунте была разработана экспериментальная установка в реальных полевых условиях. На специ-

ально выделенной площадке специализированной цепной землеройной машиной была прорыта 10метровая траншея глубиной 0,7 м, шириной 200 мм. В кабельную траншею были проложены друг за другом два 4-метровых куска силового кабеля (тип кабеля трехжильный ААШвУ, сечением жил 120 мм2, на напряжение 6 кВ). Один из кусков был проложен непосредственно в землю, а второй - с подушками из просеянного песка (рис. 1, а). В начале траншеи для замера температуры на глубине прокладки кабелей была заложена термопара. Для определения перемещения кабелей в грунте на каждый кабель с двух сторон были установлены указатели перемещения кабеля.

Результаты исследований на сегодняшний день включают в себя ежедневные данные о сме-

а)

б)

Рис. 1. Просадка экспериментального куска КЛ при новой прокладке (а), смещение до 9 см за 45 дней (б), причина: не выполнено хорошее уплотнение грунта, опасный участок по данному фактору, например, после ремонта теплотрассы

щениях кабеля, температуре, влажности воздуха и почвы, начиная с 27 февраля 2007 года.

Анализ диаграмм перемещения позволяет констатировать (рис. 1, б):

1. Кабель, проложенный в песке, углубился до 8,5 см, в грунте смещение составило 3 мм.

2. Процесс углубления в песке происходил в несколько этапов. За первые 4 дня наблюдалась интенсивная просадка кабеля до 3,3 см. Последующие 17 дней марта - период стабилизации с последующим углублением до 6,9 см за последние 11 дней марта (период оттаивания и увлажнения грунта). Дальнейшая просадка кабеля наблюдалась в осенний период 2007 года.

3. В периоды резкого изменения температуры и влажности (до настоящего времени 02.2013 г.) наблюдаются подвижки кабельной линии.

Полученные на сегодняшний день данные свидетельствуют о влиянии на перемещения силового кабеля как температуры грунта, так и его состава. Наиболее напряженными, с точки зрения механического воздействия грунта, участками кабеля являются: участки, проложенные в разных условиях; новые участки, прокладываемые вместе с муфтами; участки кабеля, под которыми производилась подкопка грунта, например для ремонта теплотрассы (рис. 1, б).

Подобная схема исследований была применена и на действующем силовом кабеле марки ААБ сече-

нием 3x120 мм2. С 13.07.2007 г. были установлены три датчика перемещения. Первоначальные подвижки кабеля прошли в первые два дня после установки. Они были связаны с процессом уплотнения грунта. Следующий период просадки, который наблюдался в ноябре 2007 года, был обусловлен переходом от положительных к отрицательным температурам в грунте.

Для оценки подвижек, находящихся в работе КЛ на базе кабельных сетей г. Нефтекамска, были так же выбраны пять КЛ. Замеры их подвижек проходили с использованием прибора RIDGID SeekTech SR-20. Сводные результаты за осенневесенний период 2012-2013 г. приведены в табл. 1.

Анализ результатов проведенных исследований показывает, что существуют подвижки кабельных линий в течение годового цикла и необходимость строгого соблюдения правил укладки кабельных линий в грунтовых массивах. Кроме того, можно рекомендовать:

1) проводить анализ температуры, влажности, структуры грунта в течение годового цикла непосредственно в месте прокладки кабельной линии; использовать полученные данные для определения возможных напряженно-деформированных состояний грунтовых массивов, взаимодействующих с кабелем с течением времени по мере нескольких циклов его эксплуатации;

2) для предотвращения опасных механических

Таблица 1

Подвижки действующих КЛ, оценка прибором РЮСЮ SeekTech SR-20

№ п/п СЗ Я & а <Ц а <Ц а <Ц Н Влажность, % Просадка грунта,см

1 СЧ с . ^ я ЭВ но § 00 о * § 3 § < о о. чо КО о , о ^ >К ко 8 Е? § І е 5 8^ § £ Д & ^ ^ ё Я с Рч ЇЇ 3 С £ ^ ©" Л >—1 Ч х с 3 £ « С Рч ЇЇ 3 С £ ь 3 чо ©" " ко л >—і Ч х с 3 £ « С ^ а Е 112 О" % ^ та *2 алл а <

1 04.10.2012 +7 63,5 158 139 74 113 116

2 30.10.2012 +2 58,7 158 139 68 112 116

3 08.11.2012 +4 64,2 158 139 70 107 115

4 13.12.2012 -20 32,4 158 139 69 107 117

5 26.12.2012 -15 36,1 158 140 70 107 116

6 10.01.2013 -10 40,4 158 142 70 110 120

7 24.01.2013 -17 56,7 153 149 71 107 117

8 04.02.2013 -9 82,3% 153 149 72 108 118

Движение кабеля 5 10 6 6 5

воздействий мерзлых грунтовых массивов на изоляцию кабеля во время морозного пучения грунта и электродинамических подвижек кабеля в режимах коротких замыканий необходимо прокладывать кабельную линию ниже зоны промерзания;

3) на сложных трассах городских кабельных линий необходимо с учетом количества поворотов и изменений в типе грунта по трассе увеличивать количество компенсирующих участков. Рекомендуем укладывать компенсаторы перед поворотом и после поворота трассы кабельной линии; перед и после пересечения кабелем автомобильной дороги для снижения вибрационных механических воздействий; на пограничных участках с различными характеристиками грунта;

4) на трассах кабельных линий, для которых характерны подвижки грунта в зимних условиях, можно рекомендовать прокладывать компенсаторы в специальных пустых лотках, однако необходимо учитывать тепловой режим работы кабеля;

5) улучшение условий утрамбовки грунта при работе по ремонту городских коммуникаций ниже трассы КЛ с выдержкой по времени засыпки трассы до нескольких дней, либо разнесение трасс КЛ и теплотрасс с увеличением расстояния между ними.

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 дает полной тепловой картины. Разрабатываются способы с использованием оптоволоконных каналов, встроенных в структуру кабеля. Также может использоваться классический тепловой расчет по тепловой схеме замещения, в которой участвуют тепловые сопротивления изоляции, защитных покровов и окружающей среды.

Оценку теплового режима работы изоляции силовых кабелей в процессе эксплуатации с учетом характерных режимных (установившиеся режимы и режимы коротких замыканий) и эксплуатационных условий, например, локальных пустот, образующихся при подвижках кабеля и грунта, приводящих к локальному перегреву отдельных участков кабеля, можно проводить с использованием математического моделирования в программном продукте ANSYS, основанном на методе конечных элементов. ANSYS поддерживает основные виды теплопередачи: теплопроводность, конвекцию, излучение.

Для анализа перегрева изоляции в пустотах, образовавшихся при подвижках кабеля и грунта, в программном пакете ANSYS Multiphysics, нами была разработана математическая модель звена «кабельная линия - грунт» с учетом геометрических и конструкционных особенностей силовых кабелей марки ААШвУ - 3*120 - 10 кВ и марки 1*АПвП - 500 - 10 кВ, рассмотрены рабочие режимы и режимы коротких замыканий. Задача решена в двухмерной постановке, рис. 2. Сводные результаты расчета приведены в табл. 2.

Анализ полученных картин распределения температур в звене «кабельная линия - грунт» показал, что в пустотах, образовавшихся во влажном и мерзлом грунтах при подвижках грунта и участков кабельной линии, условия отвода тепла от кабельной линии значительно ухудшаются (рис. 2). Так, в слоях фазной и поясной изоляции у жилы, прилегающей к пустоте при рассмотренных в модели условиях, температура возрастает на 9-14 %, что необходимо учитывать при проектировании трасс кабельных линий и проведении теплового расчета. Согласно правилу Монтзингера [5] экспериментально установлено, что для органической изоляции скорость химических реакций процессов разложения обычно возрастает примерно вдвое с увеличением температуры на каждые 10 °С.

Рис. 2. Исследование теплового режима в звене «кабельная линия - грунт» в программном пакете ANSYS Multiphysics: а - распределение температур без наличия пустот; б - распределение температур с образованием пустоты, заполненной воздухом

Таблица 2

Изменение температур в слоях кабеля и прилегающего к нему грунта

Слой Температура, °С

Случай без наличия пустот (рис. 2, а) Случай с образованием пустоты, заполненной воздухом (рис. 2, б)

Левая жила Правая жила

Межфазное заполнение 77 86

Слой фазной изоляции 77 86 86

Алюминиевая жила 77 86 86

Слой фазной изоляции от 67 до 77 от 77 до 86 от 77 до 86

Поясная изоляция от 64 до 67 от 73 до 77 от 73 до 77

Алюминиевая оболочка 64 73 73

Подушка из битума от 58 до 64 от 72 до 73 от 65 до 73

ПВХ шланг от 55 до 58 от 71 до 72 от 60 до 65

Пустота - от 42 до 71 -

Грунтовый слой - 4,5 см от поверхности кабеля от 44 до 55 от 38 до 71 от 47 до 60

Для оценки перегрева изоляции КЛ в зависимости от размеров и вида пустот, которые могут образовываться при подвижках КЛ и от электродинамических воздействий при КЗ, были проведены исследования в разработанной модели трехжильного КЛ в ANSYS с учетом уставок устройств релейной защиты и автоматики [4]. Рассмотрено два вида пустоты: 1) круговая;

2) пустота размером 2/3 окружности. Рабочий режим проанализирован с током нагрузки 390 А, длительность от 0 до 4500 с, далее идет режим двухфазного КЗ с током 9000 А, длительностью

0,7 с, после чего до 9000 с рассматривается процесс остывания изоляции. На рис. 3 приведены картины температуры изоляции КЛ для времени 4500,7 с (сразу после режима КЗ) с круговой пустотой и пустотой 2/3 окружности.

Проведенные исследования по результатам моделирования в ANSYS по приросту температуры в изоляции КЛ от размеров пустоты, которая может образовываться как при подвижках грунта,

так и при КЗ от действия электродинамических сил, представлены в виде графиков на рис. 4.

Установленные зависимости рис. 4 можно описать степенным трендом:

Прг (%) = k ■ (RпуCf , (1)

где Прг (%) - прирост температуры изоляции в

зависимости от размеров пустоты RпуC; ^ус -

размер пустоты по границе от КЛ до дальней стороны пустоты в мм; к, п - постоянные коэффициенты, определяемые типом пустоты, режимом работы КЛ. Например, для условий рабочего режима (2/3 пустоты): k = 13, п = 0,31.

Классическая тепловая схема замещения, применяемая для расчета длительно допустимых токов для эксплуатируемых КЛ, приведена на рис. 5. На рис. 6 приведена рекомендованная по результатам вышеприведенных исследований схема замещения, учитывающая образование пустот.

Рис. 3. Динамика температурного режима в изоляции трехжильной КЛ, рабочий режим 0-4500 с (390 А)+режим КЗ 4500-4500,8 (9000А): а - круговая пустота 20 мм; б - пустота 2/3 окружности 20 мм

Рис. 4. Прирост температуры в изоляции (%) трехжильного КЛ от размеров пустоты (мм) и режима работы (рабочий режим, режим КЗ)

1^1 І^из! І^обі

^6--------Г^—І-Т1

Т

ж26

т

R

Їиз1

Д

1п1

АР о АР

ж2 ' ' из2 , і

АР

об2

R

Їиз2

R

1п2

| АГж3 ^„3 1 АР

-3о------------------------1 I-*■

об3

R

1из3

R

1п3

R

Ю1

Д

Ш2

Д

Ш3

-о-

01

02

-о-

03

-о----------------О Т0

Рис. б.Тепловая схема замещения для расчета длительно допустимых токов КЛ, рекомендованная ранее

ІАР , Т 1 ж1

ж

к>

АГ 2

Т г ж2

ж2о——

АГиз1 |АГоб1

R

Їиз1

АР

Д

1л1

из2

АР

об2

Д

Їиз2 АР „ і АР

Д

1п2

|АР ІАР .

Т 1 ж3 І из3 I

жЪ----------1 1—*

об3

Д

ШзЭ

Д

Їп3

■€!]— д л

1вкл1

■€!]— Д о

1вкл2

Д

101

Д

102

ДЮ3

__________________________________I

-о

01

Т

-О^3

Т

Рис. б.Тепловая схема замещения для расчета длительно допустимых токов КЛ, рекомендуемая по результатам проведенных исследований с учетом вероятных пустот

Уравнение теплового баланса для 1, 2 жилы схемы рис. 6 можно записать в следующем виде:

Тж1 ~ Т0 ~ *(Киз1 + К* + ^вкл1 + Rt01 ) +

+Л^из1 •( Киз1 + Rtп1 + ^вкл1 + Rt01 ) +

+Др>об1 • (Rtп1 + Rtвкл1 + КЮ1 ) ■ (2)

Для 3 жилы:

Тж3 _ Т0 = АРж3 • (Киз3 + Rtп3 + Rt03 ) +

+ЛРиз3 •(К из3 + Rtп3 + КЮ3 ) +

+ДРоб3 • (+ Rt03 ), (3)

где Тж - температура жилы; Т0 - температура окружающей среды; Киз - термическое сопротивление изоляции кабеля; - термическое сопротивление защитных покровов; - термическое сопротивление включений (обусловленное образованием рассмотренных выше пустот); Кю - термическое сопротивление окружающей среды; АРж - мощность, выделяемая в жиле; ЛРШ - диэлектрические потери в изоляции; ЛРоб - мощность от нагрева защитной оболочки КЛ.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что в условиях эксплуатации наблюдаются подвижки кабеля, обусловленные либо подвижками грунта, либо подвижками кабеля при КЗ от электродинамических взаимодействий, приводящие к образованию пустот во влажном и мерзлом грунтах. В зависимости от размеров пустоты и режима работы КЛ (рабочий, режим короткого замыкания) возникает перегрев

изоляции до 40 % при круговой пустоте размером с диаметр КЛ. При наиболее вероятной пустоте в 2/3 окружности с размером, равным диаметру кабеля - до 15 % , что не учитывается на сегодняшний день при монтаже трасс КЛ, расчете длительно допустимого тока нагрузки и оценке ресурса изоляции.

Литература

1. Правила устройства электроустановок: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. Вып. 7. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007.

2. Коржов, А.В. Исследование влияния магнитной составляющей электромагнитного поля на интенсивность частичных разрядов в кабелях с бумажной пропитанной и полиэтиленовой изоляцией / А.В. Коржов // Кабели и Провода. - 2013. -№ 1 (338). - С. 12-17.

3. Коржов, А.В. Методы и модели оценки состояния изоляции и электробезопасности кабельных линий 6(10) кВ городских электрических сетей: моногр. /А.В. Коржов, А.И. Сидоров. - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2009. - 252 с.

4. Коржов, А.В. Методика выбора уставок релейной защиты и зонное автоматическое повторное включение в кабельной сети 6(10) кВ для ресурсосбережения изоляции и улучшения условий труда / А.В. Коржов // Промышленная энергетика. - 2013.- № 2.

5. Канискин, В.А. Оценка технического состояния кабелей и кабельных сетей / В.А. Канискин, А.А. Пугачёв, А.И. Таджибаев; под. ред. А.И. Таджибаева. - СПб.: ПЭИПК, 2007. - 172 с.

Коржов Антон Вениаминович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрические станции, сети и системы», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Контактный телефон: 8(351) 267-92-46.

Bulletin of the South Ural State University Series “Power Engineering” _____________________________________________________________2013, vol. 13, no. 1, pp. 39-45

Estimation of thermal conditions of insulation in the ANSYS 2D model of link «cable line 6(10) kV - soil» with consideration for movements of soil and relay protection set values

A.V. Korzhov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation

In this article movements of soil and cables during the annual cycle of exploitation are determined, as exemplified by city active cable lines 6(10) kV and test models. The experiments were conducted by measuring the depth of bedding of selected points of cable lines lying in different conditions using the device RIDGID-SeekTechSR-20. The analysis of the acquired data showed that the cable lines movements can lead to formation of dangerous mechanical tension and hollows. For the estimation of thermal conditions of insulation with consideration for probable sizes of the hollows, that are formed during the movements of cable lines in the soil, 2D models of link “cable line - soil” were developed with ANSYS. Thermal conditions of insulation were analyzed during operation modes and short-circuit regimes with the consideration for relay protection and automation set values. Probable zones of insulation overheating are determined, the equivalent thermal circuit for admissible currents calculation is corrected based on the results of modeling.

Keywords: cable, insulation, relay protection, thermal analysis, soil, equivalent circuit.

References

1. Rules on design of power electric installations: All functional chapters of PUE-6 and PUE-7. 7Th publication [Pravila ustroistva elektroustanovok: Vsedeystvuyushchie razdely PUE-61 PUE-7. 7-oy vypusk.] - Novosibirsk: Sib.univ.izd-vo, 2007.

2. Korzhov A.V. Study of the effect of magnetic part of the electromagnetic field on the intensity of partial discharges in cables with impregnated-paper insulation and polyethylene insulation. [Issledovanie vliyaniya mag-nitnoy sostavlyayushchey electromagnitnogo polya na intensivnost chastichnykh razryadov v kabelyakh s bu-mazhnoy propitannoy I polietilenovoi izolyatsiyey]. Kabeli I provoda [Cables and wires], Moscow, 2013 no. 1(338) pp.12-17.

3. Korzhov A.V., Sidorov A.I. Methods and models of estimation of insulation and electrosafety conditions oj 6(10) kV cables of city cable lines [Metody I modeli otsenki sostoyaniya izolyatsii I elektrobezopasnosti kabelnykh liniy 6(10) kVgorodskikh elektricheskikh setei], Chelyabinsk, 2009, 252 p.

4. Korzhov A.V. Methods of choosing relay protection set values and zoned automatic reclosing in cable network of 6(10) kV for resource conservation of insulation and amelioration of labor canditions. [Metodika vybora ustavok releynoi zashchity I zonnoe avtomaticheskoe povtornoe vklyuchenie v kabelnoy seti 6(10) kV dlya resur-sosberezheniya izolyatsii I ulutssheniya usloviy truda], Industrial Energetics [Promyshlennaya Energetika], 2013, no.2.

5. Kaniskin V.A., Pubachev A.A., Tadzhibayev A.I. Otsenka tekhticheskogo sostoyaniya kabeley I kabelnykh setey [Estimation of Technical Conditions of Cables and Cable Networks]. Saint Petersburg, 2007, pp. 172.

Поступила в редакцию 19.03.2013 г.