Нагревание проводов и кабелей

Потери активной мощности при протекании электрического тока по проводнику вызваны расходом энергии на нагрев проводов и кабелей. Выделяемая тепловая энергия нагревает проводник постепенно, повышая его температуру V. Как только температура превысит температуру окружающей среды V0, то теплота начнет отдаваться в окружающую среду. Через некоторое время наступает тепловое равновесие, при котором за любой промежуток времени количество теплоты, выделенной в проводнике, становится равным количеству теплоты, отданной проводником в окружающую среду.

Передача теплоты от нагретого проводника в окружающую среду может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, излучением и конвекцией.

Для проводов ВЛЭП основную роль играет конвекция, т.е. охлаждение нагретого проводника движущимися потоками воздуха. Излучение не играет значительную роль в охлаждении проводов ВЛЭП, т. к. при нормальной эксплуатации температура проводов не превышает 70ºС. А теплопроводность мала из-за плохой теплопроводности воздуха.

Теплота, выделяемая в жилах кабеля, отводится к его поверхности за счет теплопроводности изоляции. А теплота с поверхности отводится в окружающую среду за счет теплопроводности почвы (для кабелей проложенных в земле).

Для изолированных проводов и кабелей проложенных на открытом воздухе условия охлаждения другие, т.к. тепловому потоку приходится преодолевать сопротивление изоляции.

Количество теплоты, отдаваемое проводником в окружающую среду:

где К – коэффициент теплоотдачи;

F – площадь охлаждаемой поверхности проводника;

V1,V2 – температуры окружающей среды и проводника.

Также количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении электрического тока, может быть найдено:

где І – сила тока, протекающая по проводнику;

R – сопротивление проводника при температуре окружающей среды V1.

Приравнивая правые части уравнений:

Практика эксплуатации и специальные исследования установили предельные значения температуры нагрева проводов и жил кабелей. Для проводов ВЛ предельная температура нагрева выбрана исходя из условий нормальной работы проводников в местах их соединения и присоединения к оборудованию. Нагрев соединительных контактов выше допустимой температуры вызывает интенсивную коррозию и возрастание переходных сопротивлений. Для изолированных проводов и кабелей, прокладываемых внутри помещений, предельная температура, кроме указанных факторов определяется еще и требованиями пожарной безопасности и гигиеническими требованиями. При температуре более 70ºС частицы пыли, находящиеся в воздухе, при попадании на нагретую поверхность подвергаются сухой перегонке, при которой выделяются газообразные вещества, вызывающие раздражение слизистой оболочки человека. Для кабелей предельная температура зависит от типа изоляции и используемого рабочего напряжения. Для изолированных проводов с резиновой или ПВХ изоляцией предельная температура определяется сохранностью этой изоляции.

Значение предельной допустимой температуры при к.з. в линиях значительно больше, чем при нормальном режиме из-за кратковременности аварийных режимов.

При протекании тока по проводнику при условии, что проводник охлаждается, превышение температуры проводника над температурой окружающей среды будет подчинятся экспоненциальному закону:

где t -- время, в течение которого выделяется теплота;

Т – постоянная времени нагрева (время, в течение которого проводник достиг бы температуры Vmax, если бы не отдавал тепло в окружающую среду).

При условии, если проводник не охлаждается, превышение температуры проводника над температурой окружающей среды будет изменятся в виде прямой.

В случае, если проводник охлаждается, изменение будет происходить под кривой 2.

Как видно из графика кривой 2 температура асимптотически стремится предельному значению температуры Vmax. По истечению времени t = (3…4)T температура проводника достигнет (0,95-0,98)Vmax=V. Практически в этот момент времени наступает тепловое равновесие между проводником и окружающей средой.

Закон охлаждения проводника при достижении температуры Vmax и после отключения тока записывается следующим уравнением:

и графически представляется кривой 3.

Некоторые электроприемники работают в повторнократковременном режиме. Они включаются на время tр. Отключаются на время tп, за которое проводник не успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Время цикла:

Такие циклы могут повторяться периодически. Характеристикой повторнократковременного режима является величина, которая называется продолжительностью включения:

, [о.е., %].

При заданной предельно допустимой температуре проводника в соответствии с уравнением теплового равновесия может быть найден предельно-допустимый ток, который может протекать по проводнику:

На практике предельно-допустимые значения токов по нагреву определяются по таблице ПУЭ. Табличные значения допустимых токов соответствуют максимально-допустимой температуре для данного типа проводника. Таблицы составлены для стандартных значений температур окружающей среды (температура воздуха +25ºС, температура земли +15ºС). Если температура окружающей среды отличается от стандартной, вводится поправочный коэффициент:

где V0 – стандартная температура окружающей среды;

-- фактическая температура окружающей среды;

Vmax – максимально допустимая температура проводника.

Предельно-допустимый ток:

где -- длительный допустимый ток для стандартных условий.

Теплоотдача кабелей проложенных в одной траншеи зависит от их количества и расстояния между ними. Это учитывается прокладочным коэффициентом Кп, который определяется по таблице ПУЭ.

При кратковременном режиме работы для медных проводников сечением больше 10 мм ² и для алюминиевых больше 16 мм² длительно-допустимый ток находится по формуле:

Все проводники в электрических сетях напряжением до 1 кВ выбираются по условию нагрева:

,

где Іраб.max – ток, который будет наибольшим для рабочего режима.

В сетях напряжением выше 1 кВ сечение проводов и кабелей выбирается по экономической плотности тока (также из таблиц ПУЭ).

Дата добавления: 2015-08-05