Разработка и исследование кабеля на напряжение 10 КВ с секторными жилами и изоляцией из сшитого полиэтилена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат технических наук Савченко, Владимир Григорьевич

• Савченко, Владимир Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Савченко, Владимир Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЩЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Силовые кабели с пластмассовой изоляцией на среднее напряжение.

1.2. Технологические и эксплуатационные характеристики полимерных материалов.

1.3. Постановка задач исследования.

2. СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА НА НАПРЯЖЕНИЕ 10 кВ С ЖИЛАМИ СЕКТОРНОЙ ФОРМЫ

2.1. Конструкция и электрическое поле кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ с жилами секторной формы.

2.2. Расчет геометрии секторной жилы

2.3. Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАБЕЛЕЙ

3.1. Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ с жилами секторной и круглой формы, проложенных в земле.

3.2. Исследование нестационарного режима работы кабеля.

3.3. Выводы по главе

4. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КАБЕЛЕЙ, ПРОЛОЖЕННЫХ В

КАБЕЛЬНОМ КАНАЛЕ

4.1. Модель определения температурного режима работы кабелей в кабельном канале с распределенными параметрами.

4.2. Математическая модель температурного режима работы кабелей в кабельном канале, учитывающая процессы конвективного теплообмена и теплового излучения.

4.3. Выводы по главе.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ

5.1. Изготовление образцов кабеля.

5.2.Технико-экономические показатели кабелей.

5.3. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование кабеля на напряжение 10 КВ с секторными жилами и изоляцией из сшитого полиэтилена»

В настоящее время тенденции развития кабельных энергораспределительных сетей среднего напряжения направлены на переход от кабелей с бумажной пропитанной изоляцией (БПИ) к кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Это обусловлено возрастающими требованиями к эксплуатационным параметрам кабелей. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена обладает рядом преимуществ по сравнению с кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией: повышенная рабочая температура; повышенная стойкость при работе в условиях перегрузок и коротких замыканий; возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней; более надежны в эксплуатации и требуют меньших расходов на реконструкцию и содержание кабельных линий; возможность изготовления кабелей большой строительной длины; не содержат масла, битума, свинца, что упрощает монтаж, эксплуатацию и устраняет экологически неблагоприятные факторы.

Сшивка полиэтилена устраняет недостатки термопластичных материалов, таких как: ползучесть и резкое ухудшение механических свойств при температурах близких к температуре плавления, вплоть до полной потери формоустойчивости. Применение вулканизированного полиэтилена позволяет повысить рабочую температуру, улучшить механические и электрические свойства изоляции кабелей.

Производство изоляции и оболочек кабелей из полимерных материалов производится на экструзионном оборудовании, что обусловлено их высокими технологическими показателями, главными из которых являются непрерывность ведения процесса, относительная простота конструкции и сравнительно небольшие энерго- и металлозатраты. Неотъемлемой частью экструдеров является формующий инструмент, который предназначен для придания продавливаемому через него потоку расплава полимера заданного сечения, что определяет качество изоляции и кабеля в целом. Равномерное выдавливание расплава по сечению формующего канала в значительной степени зависит от его геометрии.

На токопроводящую жилу силовых кабелей на напряжение 10 кВ за один проход накладываются: экран по жиле из экструдируемого полупроводящего сшитого полиэтилена, изоляция,из сшитого полиэтилена, экран по изоляции из экструдируемого полупроводящего сшитого полиэтилена. Это достигается использованием соэкструзии, когда многослойная конструкция изделия производится одностадийным технологическим процессом. В этом случае выбор геометрии каналов и подбор температурного режима кабельной головки приобретают особое значение.

Целью настоящей работы является разработка конструкции силового кабеля на напряжение 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена с жилами секторной формы и исследование его эксплуатационных характеристик. Определение преимуществ и недостатков данной конструкции кабелей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались численные методы решения дифференциальных уравнений законов сохранения и теории электромагнитного поля с привлечением программного комплекса ANS YS.

Научная новизна.

- Предложена новая методика расчета параметров секторных жил.

- С помощью математической модели электрического поля кабеля на среднее напряжение с жилами секторной формы исследованы электрические характеристики этих кабелей.

- Предложена методика расчета рабочих токов кабельных линий проложенных в земле. Проведен сравнительный анализ эксплуатационных характеристик кабелей различных конструкций.

- Разработана упрощенная методика и алгоритм расчетов рабочих токов силовых кабелей, проложенных в кабельном канале с воздухом.

Исследованы эксплуатационные характеристики одножильных 5 кабелей, проложенных в одной плоскости, и трехжильных кабелей с жилами секторной формы в кабельном канале.

- Впервые построена математическая модель тепловых процессов силовых кабелей, проложенных в кабельном канале расположенным в земле и заполненным воздухом, учитывающая естественную конвекцию и тепловое излучение внутри канала, и проведены исследования тепловых процессов. Получены новые результаты

- Построены в графическом виде картины тепловых полей, трассировки движения потока в кабельном канале.

- Проведены экспериментальные и численные исследования нестационарной задачи нагрева и охлаждения кабеля на напряжение 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена с жилами секторной формы.

- Определены технико-экономические показатели кабелей, проложенных в кабельном канале.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Работа выполнена как в интересах предприятий специализирующихся на разработке и промышленном выпуске кабельной продукции, так и в интересах энергосистем поскольку позволяет оценить возможную нагрузочную способность кабельных изделий и кабельных сооружений.

Разработанные методики расчета кабелей применены на ООО «Камский кабель» при проектировании кабельных изделий.

Разработанные методики расчета тепловых полей применялись для расчета пропускной способности кабельных каналов в ОАО «Пермские Городские Электрические Сети».

На защиту выносятся:

- Математические модели тепловых процессов и методики определения токовых нагрузок силовых кабелей, проложенных в земле и кабельных каналах.

- Результаты исследований эксплуатационных характеристик силовых кабелей на среднее напряжение с изоляцией из сшитого полиэтилена с жилами секторной формы

- Результаты сравнительного анализа эксплуатационных характеристик и технико-экономические показателей кабелей различных конструкций.

- Методика расчета секторных жил.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции «Кабели, провода и арматура для линий электропередачи. Производство и эксплуатация в России» 3 декабря 2009 года в рамках международной специализированной выставки «Электрические сети России - 2009» (ЛЭП-2009), Международная Интернет-конференция «Инновационные технологии: теория. Инструменты, практика (1пш*ес112009). Пермь, ПГТУ.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 3 печатных работах, в том числе 2 — в журналах, > рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 35 наименований. Общий объем работы 117 страниц, в том числе 45 рисунков, 25 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические материалы и изделия», Савченко, Владимир Григорьевич

4.3. Выводы по главе

1. Разработана упрощенная методика и алгоритм расчетов рабочих токов силовых кабелей, проложенных в кабельном канале с воздухом. Исследованы эксплуатационные характеристики одножильных кабелей, проложенных в одной плоскости, и трехжильных кабелей с жилами секторной формы в кабельном канале.

2. Построена двумерная математическая модель тепловых процессов при прокладке силовых кабелей, проложенных в кабельном канале расположенным в земле и заполненным воздухом, учитывающая естественную конвекцию и тепловое излучение внутри канала, и свойства разнородных материалов, участвующих в процессе тепломассообмена. Построены поля температур трассировки движения потока в кабельном канале

3. проведено сравнение двух подходов к расчету температурных полей в кабельном канале. Показано влияние энергии излучения на процесс тепломассообмена и температуру изоляции кабеля

4. Определены технико-экономические показатели кабелей, проложенных в кабельном канале.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ

5.1. Изготовление образцов кабелей.

5.1.1. По результатам расчетов конструкции кабелей по прилагаемым методикам на предприятии был спроектирован и изготовлен технологический инструмент для изготовления однопроволочных и многопроволочных уплотненных секторных жил силовых кабелей. А

А(5:1)

Рис.5.1. Конструкция уплотняющих роликов для изготовления секторной жилы. Уплотнение жилы проводилось четырьмя парами роликов, установленными в уплотняющую головку и расположенными поочередно во взаимопротивоположных плоскостях (рис.5.2.). уравнение неразрывности: дУх дуу п дх ду уравнения движения: г дУ дУ л ч а* » дУ; дУу дУ„л дх ду дх ду дх ду дхху ^ дХууЛ дх ду уравнение энергии: с р

V К + У ^ х дх у ду ХАТ + qv реологические уравнения состояния: л дух . о дУУ

5 ^ху ух Л ду дх где ц — эффективная вязкость, зависящая как от скорости сдвига, так и от температуры

-ВТ т] = ер Цо

ЙГ

П-1 Л ¥х, ¥у — х и у компоненты вектора скорости, х; У х,у) - компоненты тензора напряжений, р — плотность полимера, Т ~ температура, р - давление, ц0 — начальная вязкость, /2 - второй инвариант тензора скоростей деформации, п — показатель аномалии, (3 - температурный коэффициент вязкости.

На рис. 5.3. приведена схема экструзионной головки для одновременного наложения трех слоев изоляции.

Экстр 2:

Уж=2,451-1(Г2м/сек У,=0, Т=423К

Экстр. 1: х=1,2а9-10-2м/сек У.=0, 7=423К

Рис. 5.3. Вид канала истечения и граничные условия Граничные условия определяются заданными параметрами технологического процесса экструзии.

На рис. 5.5. представлены распределения температурных полей, полученные в результате численного решения. Для модели, учитывающей зависимость г| = /(г) (левая часть рисунка) хорошо заметна область диссипативного перегрева материала, в которой взаимодействуют основной поток расплава полимера и противоток, обусловленный «засасыванием» материала из соседнего канала.

Анализ полученных . распределений для двух рассмотренных математических моделей процессов тепломассопереноса расплава полимера показывает, что для указанных граничных условий; теплофизических свойств материала и геометрии канала выбор; конкретной математической? модели! дает различные результаты. Модель, в которой не учитывалась зависимость вязкости расплава, показывает, отсутствие г сильных перегревов; равномерное истечение потоков, меньшие касательные напряжения на выходе расчетной области: Однако более сложная математическая модель, учитывающая, влияние температуры на вязкость расплава; полимера, демонстрирует неэффективность предложенного технологического1 режима переработки полимера указанной марки на оборудовании определенной конфигурации:

Адекватность результатов, получаемых при моделировании процессов тепломассопереноса. в'ANS YS, была показана на примере сравнения данных, полученных в ходе; натурного эксперимента, и результатов расчета в комплексе ANS YS. При этом точность соответствия расчетных данных; и данных, полученных в ходе эксперимента, составила порядка 10-15 процентов: ;."

В итоге проведенных исследований, можно сделать вывод о неприменимости; модели, учитывающей зависимость вязкости исключительно от тензора скоростей сдвига материала, к условиям рассматриваемого технологического процесса в пользу более: сложной модели.

Исходя из данных полученных в результате расчетов был спроектирован и изготовлен технологический инструмент, для наложения трехслойной

103 полимерной системы эьс^ан-изоляция-экран за один проход на линии непрерывной вулканизахдки. Инструмент для наложения изоляции изготавливался на элект^роэрозионном станке — позволяющем создать сложную поверхность. Изо€5р>ажение инструмента показано на рисунке 5.6.

Рис.5.6. Конструкция инструмента для наложения изоляции на секторные жилы.

В результате опытнь»1х работ был изготовлен образец кабеля. Геометрия изоляции кабеля показана и:а рисунке 5.7. допустимых токовых нагрузок и номинальные мощности, передаваемые по кабельным линиям, представлены в табл. 5.1.

Заключение

1. Разработана конструкция нового кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ с жилами секторной формы.

2. Проведено исследование электрического поля кабеля с секторными жилами. Показано влияние различных геометрических параметров конструкции кабеля на величину напряженности электрического поля в кабеле.

3. Разработан новый способ расчета геометрии секторной жилы. Предложена новая методика расчета геометрии секторной жилы, основанная на использовании аппроксимирующих полиномов, позволяющая непосредственно вычислять геометрические характеристики и облегчающая алгоритмизировать процесс расчета геометрических параметров.

4. Разработана математическая модель процессов теплопроводности в кабельных линиях, проложенных в земле.

5. На основании рассчитанных температурных полей с помощью программного комплекса АГ^УЭ разработан алгоритм расчета токовых нагрузок кабелей и кабельных линий, проложенных в земле. Адекватность построенных математических моделей подтверждена сравнительным анализом полученных результатов с результатами, полученными по общепринятым инженерным методикам.

6. Выполнены экспериментальные и численные исследования нестационарных процессов теплопроводности на основании разработанных математических моделей в кабеле с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ с жилами секторной формы. Установлено соответствие экспериментальных результатов и численных расчетов температурных полей в кабеле.

7. Разработана двухмерная математическая модель процессов теплообмена с осредненными теплофизическими характеристиками в кабельном канале, позволяющая рассчитывать температурные поля,

113 как в каждой точке по сечению канала, так и в каждом элементе конструкции силового кабеля.

8. Сравнительный анализ температурных полей и токовых нагрузок кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ с жилами секторной формы и аналогичными одно- и трехжильными кабелями с жилами круглой формы, проложенных в земле и в кабельных каналах, показал, что трехжильные кабели с секторными жилами, имея несколько худшие эксплуатационные характеристики при прокладке в земле (до 3%), позволяют значительно снизить затраты при их использовании в кабельных каналах. Данный эффект достигается за счет возможности размещения большего количества линий внутри сооружения.

9. Построена математическая модель тепловых процессов силовых кабелей, проложенных в кабельном канале расположенным в земле и заполненным воздухом, учитывающая естественную конвекцию и тепловое излучение внутри канала. Показан вклад лучистой энергии в общий теплообмен в канале.

10. Численный анализ тепловых полей, трассировки движения потока в кабельном канале позволил определить кабельные линии, находящиеся в особенно неблагоприятных условиях по температуре, ресурсные возможности кабельных линий, преимущества использования кабелей с секторными жилами.

11. Определены технико-экономические показатели кабелей, проложенных в кабельном канале. Получен положительный экономический эффект при использовании трехжильных кабелей с секторными жилами при организации линии в кабельном канале.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Савченко, Владимир Григорьевич, 2011 год

1. Основы кабельной техники. Под ред. В.А. Привезенцева. М.: Энергия. 1975. 472 с.

2. Основы кабельной техники. Под ред. И.Б. Пешкова. М.: Издательский центр «Академия». 2006. 432 с.

3. Сополимерные композиции сшитого полиэтилена (SUPER COMO™). Для высоконадежных силовых кабелей среднего напряжения / Бустром Дж.О. и др. // Кабели и провода. 2005. № 5 (294). С. 7-22.

4. Мендельсон А., Аартс М.У. Мировой опыт применения изоляции из триингостойкого сшитого полиэтилена для кабелей среднего напряжения с длительным сроком эксплуатации // Кабели и провода. 2005. № 5 (294). С. 23-29.

5. Образцов Ю.В., Фрик A.A., Сливов A.A. Силовые кабели среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена. Факторы качества // Кабели и провода. 2005. № 1 (290). С. 9-13.

6. Шувалов М.Ю., Овсиенко В.Л., Колосков Д.В. Исследование надежности силовых кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена // Кабели и провода. 2007. № 5 (306). С. 24-24.

7. Патент на ПМ № 48434 от 10.10.05 №2005100199 от 11.01.05 Кабель силовой с изоляцией из сшитого полиэтилена

8. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. М.: Радио и связь. 2000. 536 с.

9. Ковригин JI.A. Основы кабельной техники: учебное пособие. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та. 2006 94 с.

10. Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособие. -М.: Машиностроение, 2004. 512 с.

11. П.Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа ANSYS. М.: Издательский центр «Академия». 2006. 288 с.

12. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANS YS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС. 2004. 272 с.

13. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. 1979.541 с.

14. Зенкевич О.С. Конечные элементы и аппроксимация М.: Мир. 1986.318 с.

15. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.-392 с.

16. Соловейчик Ю.Г., РоякМ.Э., ПерсоваМ.Г. Метод конечных элементов для решения скалярных и векторных задач. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 896.

17. Щербинин А.Г., Труфанова Н.М., Савченко В.Г. Расчет геометрии секторной жилы // Кабели и провода. 2011. № 5 (306). С. 24—24.

18. Справочник по математике для инженеров и учащихся< втузов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев — Санкт-Петербург : Лань, 2009. 608 с.

19. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы: Учебное пособие. М.: Наука, 1987. 600 с.

20. Линник Ю. В., Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений, 2 изд., М., 1962.- 336 с.

21. ГОСТ РМЭК 60287-1-1-2009. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки. Часть 1-1. Уравнение для расчета номинальной токовой нагрузки (100%-ный коэффициент нагрузки) и расчет потерь. Общие положения.

22. ГОСТ РМЭК 60287-2-1-2009. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки. Часть 2-1. Тепловое сопротивление. Расчет теплового сопротивления.

23. Щербинин А.Г., Труфанова Н.М., Савченко В.Г. Определение токовых нагрузок кабелей // Электротехника». 2010. № 6. С. 61-64.

24. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергия. 1975. 488 с.

25. Михеев M.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия. 1973. 320 с.

26. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1974. — 448 с.

27. Yang Liu. Coupled conduction-convection problem for an underground duct containing eight insulated cables. International Journal of Computational Engineering Science Vol. 1, No. 2 (2000) 187-206 Imperial College Press.

28. Лойцянский JI.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 848 с.

29. Седов Л.И. Механика сплошной среды: в 2 т. Т. 1. М.: Наука, 1983.528 с.

30. Седов Л.И. Механика сплошной среды: в 2 т. Т. 2. М.: Наука, 1984.560 с.

31. Теплотехнический справочник / Под ред; Юренева В.Н. М.: Энергия, 1976. Т. 2. - 896 с.

32. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

33. Крейт Ф., Блейк У. Основы теплопередачи. М.: Мир. 1983. 512 с.