Техника высоких напряжений

Итак, при КЗ у большинства кабельных линий экран разогревается до своей предельной температуры гораздо раньше, чем жила до своей. Поэтому декларируемые замечательные термостойкие свойства полиэтиленовой изоляции при КЗ не могут проявить себя сполна из-за наличия в конструкции кабеля медного проволочного экрана. Напомним, что экран играет отрицательную роль и в нормальном режиме работы кабеля, когда в нем наводятся напряжения и токи, вызывающие паразитные потери мощности, перегрев кабеля и недоиспользование его пропускной способности.Температура экрана и оболочкиС учетом приведенных в табл. 1 постоянных времени очевидно, что нагрев оболочки происходит главным образом за счет тепла от экрана кабеля.За время КЗ в экране выделяется тепло QЭ = IК2RЭtК (без учета коэффициентаКА ), которое идет на нагрев экрана и его оболочки QЭ = (CЭ + СО) · (ТОК– ТОН), где ТОН и ТОК – соответственно начальная и конечная температура оболочки. Тогда получим:Приняв, что до КЗ температура экрана и оболочки была ТОН = 80 °С (по [1] такая температура характерна при наличии у жилы температуры 90 °С, отвечающей предельному значению для изоляции из сшитого полиэтилена), и воспользовавшись данными ρ, γ, c по медному экрану и полиэтиленовой оболочке (табл. 1), получим обобщающие зависимости, приведенные на рисунке.Рис. 3. Температура экрана и оболочки кабеля после прогрева оболочки теплом от экрана (конец 2-го этапа)Видно, что после КЗ температура оболочки, разогретой раскаленным до 350 °С экраном, приближается к температуре 135 °С, т.е. к температуре плавления ПНД-труб.Производители кабельных линий декларируют для жилы и экрана различные предельные температуры при КЗ (250 и 350 °С соответственно), что не может не вызвать вопросов, ведь жила и экран примыкают к одной и той же изоляции из сшитого полиэтилена и должны иметь идентичные предельные температуры.Однако такому расхождению температур жилы и экрана можно дать следующее объяснение. Во-первых, жила изначально не может быть нагрета выше 150 °С (рис. 2), и эта температура сохраняется у жилы достаточно долго, так как постоянная времени изоляции τИ велика (табл. 1). Во-вторых, экран, хотя изначально и нагрет до 350 °С, но быстро (с постоянной времени τО) отдает тепло оболочке кабеля, в результате чего температура и самого экрана, и оболочки, и примыкающей к экрану изоляции становится не более 135 °С (рис. 3). Таким образом, после КЗ и изоляция вблизи жилы, и изоляция вблизи от экрана достаточно быстро приобретут близкую друг к другу температуру не более 135–150 °С.Средняя температура кабеляЗа время КЗ в жиле и экране выделяется соответственно тепло QЖ = IК2RЖtК  = IК2RЭtК (без учета коэффициента КА), которое идет на прогрев всего кабеля до некоторой средней температуры:Приняв, что до КЗ средняя температура кабеля была ТН = 90 °С, и воспользовавшись данными по параметрам ρ, γ, c элементов кабеля (см. табл. 1), получим обобщающие зависимости, приведенные на рисунке.Рис Средняя температура кабеля после его прогрева теплом от жилы и экрана (конец 3-го этапа)Сравнение рисунков показывает, что средняя температура прогретого кабеля ТСР меньше той пиковой температуры оболочкиТО, которая достигается практически сразу же после отключения КЗ.Для наиболее востребованных в нашей стране кабельных линий типа 240/50, 500/95, 1000/240 мм2 после равномерного прогрева кабеля теплом, выделившимся в жиле и экране во время КЗ, средняя температура не превосходит 105 °С. Для кабелей классов напряжения от 110 до 500 кВ максимально допустимая температура нагрева токопроводящих жил кабелей в режиме перегрузки не более 105 °С. Суммарная продолжительность работы кабелей в режиме перегрузки должна быть рассчитана для каждой КЛ с учетом требований завода-изготовителя и не превышать 100 часов за год и 1000 часов за срок службы». Иными словами, КЗ в кабеле, его прогрев до средней температуры и затем долгое остывание можно классифицировать как своеобразную перегрузку кабеля, которая ограничена и по времени (кабель остынет быстрее чем за 100 часов), и по числу раз (вряд ли за срок службы КЗ в кабеле возникнет более 1000/100 = 10 раз).В настоящее время при прокладке кабельных линий 6–500 кВ зачастую применяют трубы для холодного водоснабжения из полиэтилена низкого давления. Как было показано в [1], такие трубы рассчитаны на работу при температурах до 40 °С, что меньше температуры 75–85 °С, которая может возникать на поверхности кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в нормальном режиме работы.Еще одним заслуживающим внимания вопросом является воздействие на ПНД-трубы КЗ в кабельных линиях. Показано, что после отключения КЗ оболочка ряда кабелей может быть разогрета до температуры, приближающейся к температуре плавления ПНД-трубы 135 °С.С учетом апериодической составляющей тока КЗ, которая в настоящее время не учитывается при проектировании кабельных линий, можно ожидать возникновения на оболочке кабеля температур, при которых ПНД-труба размягчится и слипнется с проложенным в ней кабелем или деформируется.Полномасштабные экспериментальные исследования свойств ПНД-труб, которые оказываются в нехарактерном для них диапазоне температур, не проводились ни в нормальном режиме работы, ни при КЗ. По этой причине неизвестно, как поведет себя ПНД-труба по мере эксплуатации кабельной линии в течение 30 лет и более. До получения результатов таких исследований использование ПНД-труб не рекомендуется.Для исследования теплового режима в программе microcap необходимо построить схему замещения воздушной линии и кабеля, проложенного в земле.Рис. 1. Схема замещения ВЛ, П-образнаяРис. 2. Схема замещения кабельной линииСтроим ВЛИсследуем схему при различных температурных режимах:При -20 градусахПри 0 градусах27 градусов60 градусов100 градусовВывод: Исследование кабеля при температурных колебаниях показали, что кабель такого диаметра почти не подвержен температурным воздействиям.