Савченко Владимир Григорьевич РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАБЕЛЯ НА

На правах рукописи
Савченко Владимир Григорьевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАБЕЛЯ НА
НАПРЯЖЕНИЕ 10 КВ С СЕКТОРНЫМИ ЖИЛАМИ И
ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Специальность 05.09.02 – Электротехнические материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Пермь - 2011
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего
профессионального образования "Пермский национальный исследовательский
политехнический университет" на кафедре «Конструирование и технологии в
электротехнике».
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент,
Щербинин Алексей Григорьевич
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук
Шувалов Михаил Юрьевич
Кандидат технических наук
Бульхин Анвар Кашафович
Ведущая организация:
ОАО «Межрегиональная распределительная
сетевая компания Урала»
Защита диссертации состоится «_16_» _ноября_2011 г. в 14_-_00_ часов
на заседании диссертационного совета Д 520.026.01 (Электротехнические
материалы и изделия) в ОАО «ВНИИКП» по адресу: 111024, г. Москва, шоссе
Энтузиастов, д. 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИКП».
Автореферат разослан «_14__»_октября__ 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технический наук
И.А. Овчинникова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Применение силовых кабелей с изоляцией из
сшитого полиэтилена находит все большее распространение в электрических
сетях России. В настоящее время для линий среднего напряжения в основном
применяются одножильные кабели с жилами круглой формы, хотя намечается
некоторая тенденция к применению трехжильных кабелей.
Одножильные кабели имеют как достоинства – большая длина кабеля на
барабане, более высокая нагрузочная способность, обусловленная высоким
теплоотводом, так и недостатки – невозможность защиты от механических
повреждений при помощи традиционных стальных покровов, необходимость
прокладки трех ниток для монтажа одной линии, большие габариты при
монтаже линий не только в одной плоскости, но и треугольником. Все
вышеперечисленное вызывает необходимость применения трехжильных
кабелей, особенно в таких сооружениях как кабельные каналы, которые имеют
ограниченные объемы. В последнее время получают распространение
трехжильные кабели с круглыми жилами, имеющие большие размеры в
поперечном сечении.
В данной работе рассмотрена наиболее экономичная конструкция
трехжильных кабелей с жилами секторной формы. Применение данной
конструкции помогает не только сэкономить материалы при изготовлении
кабелей, но и облегчить условия прокладки и монтажа кабельных линий в
труднодоступных местах.
Цель работы. 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.
Задачи исследования. Для достижения этой цели были поставлены
следующие задачи:
- Построение математической модели электрического поля кабеля на
напряжение 10 кВ с изоляцией и полупроводящими экранами из
сшитого полиэтилена с жилами секторной формы и определение
электрических характеристик.
- Разработка методики расчета токопроводящих жил секторной формы.
- Теоретическое описание тепловых процессов силовых кабелей на
среднее напряжение различных конструкций, проложенных в земле, и
проведение
сравнительного
анализа
их
эксплуатационных
характеристик.
- Создание математической модели тепловых процессов силовых кабелей,
проложенных
в кабельном
канале
заполненным
воздухом,
учитывающей естественную конвекцию и тепловое излучение.
Исследование тепловых процессов в кабельном канале с кабелями на
среднее напряжение.
- Проведение экспериментального исследования нестационарной задачи
нагрева и охлаждения кабеля на напряжение 10 кВ с изоляцией из
сшитого полиэтилена с жилами секторной формы
- Определение технико-экономических показателей кабелей.
Методы
исследования.
Для
решения
поставленных
задач
использовались численные методы решения дифференциальных уравнений
законов сохранения и теории электромагнитного поля с привлечением
программного комплекса ANSYS.
Научная новизна.
- Предложена новая методика расчета геометрических 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 между кабелями различных
конструкций.
- Разработана методика с распределенными параметрами 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.
- Впервые построена математическая модель тепловых процессов
силовых кабелей, проложенных в кабельном канале, расположенном в
земле и заполненным воздухом, учитывающая естественную конвекцию
и тепловое излучение внутри канала, и проведены исследования
протекающих при этом тепловых процессов.
- 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 использованы в 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 Интернетконференция «Инновационные технологии: теория. Инструменты, практика
(Innotech 2009). Пермь, ПГТУ.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации
опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 3 – в журнале,
рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы, включающего 35 наименований,
приложения. Общий объем работы 117 страниц, в том числе 45 рисунков, 25
таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и
задачи диссертационной работы, отражена научная новизна и практическая
ценность результатов работы, перечислены положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит анализ состояния проблемы. Представлен
литературный по силовым кабелям с пластмассовой изоляцией на среднее
напряжение.
Во второй главе приведена новая конструкция кабеля с изоляцией из
сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ с жилами секторной формы.
В работе представлена универсальная методика расчета секторных жил,
позволяющая определять радиус закругления сектора при заданных значениях
угла, бокового и нижнего радиуса закругления сектора и толщины изоляции. С
помощью представленной методики расчета секторных жил и с использованием
аппроксимирующих полиномов и метода наименьших квадратов получены
инженерные формулы расчета геометрии секторной жилы, которые позволяют
с заданной точностью определять радиус секторной жилы R и другие
параметры по заданным величинам: сечению токопроводящей жилы S ж , углу
 , радиусам закругления r , r1 и толщине изоляции  из .
Для практических расчетов радиуса сектора жилы R был использован
аппроксимирующий полином 2-й степени вида
Rï  1  2 x1  3 x 2   4 x1x 2  5 x12  6 x 2 2  ....
(1)
Здесь: R п – аппроксимирующая функция; x i – независимые переменные;  j –
коэффициенты полинома, определяемые по методу наименьших квадратов.
С помощью математической модели электрического поля, реализованной
в среде инженерных расчетов ANSYS, для рассматриваемого кабеля с
секторными жилами на напряжение 10 кВ, рассчитаны распределения
напряжения и напряженности электрического поля в поперечном сечении. В
результате проведенных исследований получено, что радиус закругления
нижней части сектора можно делать меньше бокового радиуса закруглении, не
ухудшая электрических характеристик кабеля. Для кабеля с секторными
жилами вычислена емкость экранированной секторной жилы.
В третьей главе
проводится
исследование
эксплуатационных
характеристик силовых кабелей, проложенных в земле, на напряжение 10 кВ с
жилами секторной и круглой формами.
Одной из наиболее важных задач с точки зрения конструирования
силовых кабелей и их эксплуатации является задача по определению токовых
нагрузок. Сложность решения данной задачи во многом определяется
условиями прокладки кабелей и кабельных линий. В настоящее время широкое
распространение по определению токовых нагрузок силовых кабелей в
зависимости от условий прокладки получили методики, представленные в
ГОСТ Р МЭК 60287. К существенному недостатку этих методик можно отнести
их ограниченность и неуниверсальность в том смысле, что они не позволяют
охватить всего многообразия условий прокладки кабелей и кабельных линий.
Проблемы при их использовании возникают также при переходе к новым
конструкциям кабелей.
Более универсальный и точный подход по определению токовых нагрузок
базируется на использовании законов сохранения массы, количества движения
и энергии, с помощью которых строятся математические модели теплообмена
кабелей с окружающей средой. Настоящий уровень развития вычислительной
техники и наличие современных пакетов вычислительных программ позволяют
существенно повысить универсальность и точность решений различного круга
задач, в том числе и рассмотренных в данной работе.
В работе рассмотрена задача определения токовых нагрузок в кабельных
линиях с сечением одной жилы 240 мм2 на номинальное переменное
напряжение 10 кВ частотой 50 Гц, в которых используются трехжильные
кабели, конструкции которых приведены на рис. 1 а, б, или три одножильных
кабеля с расположением в горизонтальной плоскости (см. рис. 1 в) и
треугольником (см. рис. 1 г), кабели проложенных в земле на глубине 0,7 м при
температуре поверхности земли 15С.
I
6
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
II
8
I
II
III
в
III
I
I
1
2
3
7
4
а
5
6
II
II
III
III
г
б
Рис. 1. Кабели марки АПвП на напряжение 10 кВ. а – трехжильный с секторными
жилами; б – трехжильный с круглыми жилами; в – три одножильные в горизонтальной
плоскости; г – три одножильные треугольником. 1 – токопроводящая жила; 2 – два слоя
экрана из полупроводящего вулканизированного полиэтилена; 3 – изоляция из
вулканизированного полиэтилена; 4 – обмотка из нетканого полотна; 5 – экран из медных
проволок; 6 – полиэтиленовая оболочка: 7 – межфазное заполнение; 8 – дренажный
проводник из меди.
На рис. 2 представлена расчетная область: массив земли - кабельная
линия.
При решении температурной задачи для кабельных линий были сделаны
следующие допущения: задача двумерная стационарная; изменение
температуры вдоль кабельной линии не происходит; задача симметрична
относительно оси y ( рис. 2).
С учетом сделанных упрощающих предположений температурное поле в
кабельной линии и окружающей ее среде определяется из решения
дифференциального уравнения теплопроводности:
  t    t 

  qV  0 ,
  
x  x  y  y 
(2)
где t – температура, С;  – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·С); x и y
декартовые координаты, м; qV – мощность внутренних источников тепла,
Вт/м3.
t0
y
0
L
x
Кабельная линия
t
0
n

t
0
n

Рис. 2. Расчетная область: массив земли – кабельная линия.
области, L – глубина прокладки кабеля.
n
– нормаль к границе расчетной
Определение токовых нагрузок кабельных линий по температурным
полям, проводилось с использованием пакета прикладных программ ANSYS. С
этой целью была разработана итерационная процедура, в которой на каждом
итерационном шаге решалось уравнение теплопроводности (2) и определялось
температурное поле в полуограниченном пространстве с кабельной линией.
Далее подбиралось такое значение рабочего тока, при котором максимальная
температура в токопроводящей жиле с заданной точностью равнялась
допустимому значению 90С.
На рис. 3 представлено температурное поле трехжильного кабеля с
секторными жилами.
Данная задача также была решена с помощью использования методик по
ГОСТ Р МЭК 60287. В табл. 1 приведены значения рабочих токов,
рассчитанных ГОСТ Р МЭК 60287 и с помощью пакета ANSYS, и результаты
сравнения между ними.
Рис. 3. Температурное поле в кабеле
Таблица 1
Рабочие токи кабельных линий
Схема линии
Рабочий ток, А
(по
ГОСТ Р МЭК 60287)
Рабочий ток, А
(ANSYS)
Расхождение, %
рис. 1, а
рис. 1, б
рис. 1, в
рис. 1, г
411,4
410,0
422,1
422,5
401,6
404,4
421,3
417,3
2,44
1,38
0,19
1,25
Из табл. 1 видно, что рабочие токи, рассчитанные с помощью ANSYS,
имеют несколько меньшие значения. Наибольшее расхождение по токам
получилось для кабелей с секторными жилами, а наименьшее – для
одножильных кабелей в горизонтальной плоскости. Можно отметить
достаточно хорошее совпадение результатов между представленными
методиками расчета токовых нагрузок. Таким образом, полученные результаты
с одной стороны свидетельствуют об адекватности работы методики,
построенной с помощью программного комплекса ANSYS, с другой стороны об
эффективности применения инженерных методик для решения достаточно
простых стандартных задач. Методики, построенные на базе моделирования
тепловых процессов, являются более универсальными. Преимущества этих
методик будут проявлять себя при решении задач с более сложными условиями
теплообмена кабелей и окружающей среды.
Для проверки адекватности работы математической модели
нестационарной задачи теплопроводности в кабеле на напряжение 10 кВ с
изоляцией из сшитого полиэтилена с секторными жилами был выполнен
эксперимент, в процессе которого в течении 6 часов по токопроводящим жилам
кабеля пропускался ток величиной 392 А, в результате чего кабель нагревался.
До подключения нагрузки температура кабеля равнялась температуре
воздушной окружающей среды, равной 16,5С. Температура в кабеле
определялась с помощью 3-х термопар, которые были установлены в центре
кабеля, между секторными жилами и у медного экрана.
Для решения нестационарной задачи теплопроводности в кабеле
пренебрегли изменением температуры вдоль оси кабеля. Тогда
с
t
  t    t 


  qV ,


 x  x  y  y 
(3)
В уравнении (3)  – плотность материала, с – теплоемкость материала, 
– коэффициент теплопроводности
На поверхности кабеля было задано граничное условие третьего рода.
Уравнение нестационарной задачи теплопроводности (3) решалось с
использованием программного комплекса ANSYS. Полученные результаты
сравнивались с экспериментальными данными. Максимальное расхождение
между экспериментальными данными и расчетными результатами достигло на
80-й минуте, и составляло 7С. В конце эксперимента максимальное
расхождение не превышало 2,5С.
Четвертая глава
посвящена
исследованию
эксплуатационных
характеристик силовых кабелей на напряжение 10 кВ, проложенных в
кабельном канале, расположенном в земле и заполненным воздухом. Схема
кабельного канала с кабелями приведена на рис. 4.
Кабельный канал представляет собой железобетонный короб с толщиной
стенок 120 мм и внутренними размерами 16001600 мм. С левой и правой
сторон кабельного канала имеются горизонтально расположенные полки, на
которые укладываются кабели. Количество полок на каждой стороне равно
восьми. На одну полку может быть уложена либо одна линия, сформированная
из трех одножильных кабелей с круглыми жилами, либо две линии из
трехжильных кабелей с секторными жилами. Кабели являются источником
теплового воздействия на канал. Кабельный канал расположен в земле на
глубине 1-го м от поверхности, на которой задано граничное условие третьего
рода.
В работе предложены два подхода решения задачи по определению
токовых нагрузок кабелей в кабельном канале.
По первому способу (с распределенными параметрами) задача
определения токовых нагрузок кабелей в канале разбивалась на две части. В
1840
1600
первой части задачи строилась зависимость изменение средней температуры
воздуха в коробе от мощности внутреннего источника тепла, по которой во
второй части задачи определялись токовые нагрузки кабелей.
1600
1840
Рис. 4. Схема кабельного канала
Схема задачи по определению температуры воздуха в кабельном канале в
зависимости от мощности внутреннего источника тепла приведена на рис. 5.
q=tC t0
L
Эк y
t
0
n

0
x
t
0
n
1

2
3
4
Рис.
5.
Схема
задачи
по
определению
температуры
воздуха
в кабельном канале. L – глубина прокладки кабеля, а – коэффициент теплоотдачи, tc –
 Экв  Экв - толщина
температура внутри канала, tо – температура окружающей среды,
эквивалентного слоя.
Сложные процессы конвективного теплообмена воздушной среды в
кабельном канале заменены эквивалентными процессами теплопроводности. За
счет естественной конвекции внутри канала происходит выравнивание
температуры. Для того чтобы учесть это явление при решении задачи
теплопроводности в области №1 на рис. 5 задавалось большое значение
коэффициента теплопроводности. Внутренний источник тепла равномерно
распределен в области №1 кабельного канала. Тепловое сопротивление
теплоотдачи от воздуха к стенкам кабельного канала учитывалось
эквивалентным термическим слоем заданной толщины Ýêâ (область №2 на
рис. 5). Область №3 на рис. 5 – стенки железобетонного короба, область №4 –
массив земли.
Задача двухмерная стационарная, симметричная относительно оси y
( рис. 5). С учетом сделанных допущений температурное поле в
рассматриваемой области определялось из решения дифференциального
уравнения теплопроводности (2).
На рис. 6 приведена рассчитанная зависимость температуры в канале от
удельной мощности внутреннего источника тепла.
tК,°C
80
60
40
20
3
20
40
60
80
100 qV , Вт/м
Рис. 6. Зависимость температуры кабельного канала от удельной
мощности внутреннего источника тепла
Во второй части задачи определялись температурное поле в кабеле,
токовые нагрузки и другие эксплуатационные характеристики кабельных
линий, проложенных в кабельном канале, с использованием полученного
распределения температуры в канале t К  f (qV ) (рис. 6).
Из-за большого термического сопротивления окружающей среды рабочий
ток кабелей ограничивался максимально допустимой температурой
полиэтиленовой оболочки, равной 65С.
Решение данной задачи с учетом решения задачи естественной конвекции
воздуха в кабельном канале, в котором реализуется турбулентный режим
движения воздуха, существенно усложняется. Математическая модель
движения и теплообмена воздуха в канале основывается на законах сохранения
массы, количества движения и энергии. В канале реализуется ламинарный
режим движения воздуха. Были сделаны следующие допущения: задача
стационарная, двухмерная; воздушная среда несжимаема.
Определяющие уравнения, описывающие процессы тепломассообмена
для ламинарного несжимаемого воздушного потока в условиях естественной
конвекции имеют вид:
уравнения движения:
Ux
Ux
U x
U x
1 P  U x  U x
U y

 
 
,
x
y
 x  x
 y
U y
x
U y
U y
y

1 P  U y  U y g
 
 
 ;
 y  x
 y

(4)
(5)
уравнение неразрывности для несжимаемой среды
U x U y

 0;
x
y
(6)
уравнение энергии

t
t   t  t
c p U x
U y
 
.
 

x

y


x


y


(7)
где x , y , – декартовые координаты; U x , U y – компоненты вектора скорости
воздуха в канале; P – отклонение давления воздуха от гидростатического; t –
температура, С; c p – удельная теплоемкость воздуха ( c p  1,005 кДж/(кгС));
g – ускорение свободного падения ( g  9,8 м/с2);  – плотность воздуха
(   1,2696  0,0034t )
кг/м3;
–коэффициент
теплопроводности

(   0,0242 Вт/(м·ºС));  – кинематическая вязкость


;

 – коэффициент динамической вязкости (   1,7894  10-5 Пас).
На границах канала и на поверхности кабелей задается условие
непроницаемости и прилипания:
Ux
G
 0; Uy
G
 0.
(8)
Здесь n – нормаль к границе G .
Конвективный теплообмен между кабелями и стенками железобетонного
короба был дополнен теплообменом излучением между сегментами
поверхностей, являющимися границами области, занятой в данной постановке
воздухом. Расчет суммарной плотности радиационного потока на поверхностях
выполнялся матричным методом. Плотность эффективного излучения i -го
сегмента поверхности определялся по формуле
J i  i Ti 4  (1  i )Fi  j J j ,
(9)
где J j – излучение сегмента j , Вт/м2; Fi  j – угловой коэффициент от
поверхности i к поверхности j ; i – степень черноты поверхности i ; Ti –
температура i -го сегмента поверхности, К;  – постоянная СтефанаБольцмана.
Задача конвективного теплообмена воздуха в кабельном канале решалась
совместно с задачей теплопроводности в кабелях, железобетонном коробе и в
массиве земли. Температурное поле в твердых элементах определялось из
решения дифференциального уравнения теплопроводности (2). На границах
раздела сред задавалось условие идеального контакта при равенстве тепловых
потоков.
Поставленная задача решалась численно в среде расчетов Fluent. Для
построения геометрической модели и разбиения ее на конечные элементы
использовался препроцессор ICEM CFD. Указанные программные продукты
являются частью пакета ANSYS 12. Они позволяют рассчитывать
температурные поля с учетом естественного конвективного движения воздуха и
энергии излучения внутри кабельного канала, а также достаточно наглядно
представлять эти результаты в виде набора температурных полей, графиков и
траекторий движения потоков воздуха.
В таблице 2 приведены варианты задач, решенные с помощью данной
методики. Суммарная мощность тепловыделения подбиралась по максимально
допустимой температуре полиэтиленовой оболочки, равной 65С. В строке
«с конв.» приведены результаты, полученные с помощью математической
модели (4)–(9), а в строке «распр.» – с помощью модели с распределенными
параметрами, в которой процессы конвективного теплообмена воздушной
среды описывались процессами теплопроводности. В табл. 2 даны также
относительные отклонения между результатами, полученными по этим
моделям. Видно, что максимальное отклонение по мощности тепловыделения в
кабельном канале, рассчитанной по разным методикам не превышает 10,4 %, а
по передаваемой мощности – 5,33%. При этом большие значения передаваемой
мощности в расчетах с учетом свободной конвекции в кабельном канале можно
объяснить тем, что в данной методике учитывается помимо конвективного
теплообмена, также и теплообмен излучением внутри кабельного канала.
Из табл. 2 видно, что суммарная передаваемая мощность в кабельном
канале по 16 линиям, сформированным из кабелей с 3-мя жилами секторной
формы, равная 41,0 МВА, на 11% больше, чем для 16 кабельных линий,
сформированных из одножильных кабелей, равная 36,9 МВА.
Таблица 2
Эксплуатационные характеристики кабельных линий
Эксплуатационные характеристики
с конв.
Суммарная мощность
тепловыделения, Вт/м
распр.
Отклонение мощности
тепловыделения, %
с конв.
Суммарная передаваемая
мощность, МВА
распр.
Отклонение передаваемой мощности,
%
Количество кабельных линий
Круглые жилы
Секторные жилы
8
16
16
32
153,0
148,0
151,4
154,4
137,1
144,5
137,5
144,7
10,4
2,35
9,16
6,27
26,5
25,1
36,9
36,5
41,0
39,1
58,7
56,8
5,33
1,18
4,69
3,19
Данная методика позволяет получить температуру в каждой точке
исследуемой области ( рис. 7).
По результатам вычислений было получено, что кабели расположенные
ближе к центральной области канала, более нагреты, чем кабели,
расположенные на периферии. Разница по температуре токопроводящищх жил
достигала 3С. Этот факт можно учитывать при выборе распределения
нагружения кабельных линий в канале.
На рис. 8 представлена трассировка движения потока воздуха на примере
канала с 32-мя кабелями (линиями) с секторными жилами с цветовой градацией
по модулю скорости. На рис. 8 видно два больших вихря: первый в области
слева от кабелей; второй, охватывающий кабельные линии с небольшими
локальными завихрениями. Источниками силы движения воздушных масс
являются нагретые поверхности кабелей.
Рис. 7. Температурное поле в кабельном канале с 32 линиями с секторными жилами
Рис. 8. Трассировка движения потока воздуха
Программный комплекс ANSYS (ICEM CFD и Fluent) позволяет также
получить распределение других скалярных и векторных величин (например,
распределение плотности воздуха, скорости, вязкости, давления, касательных
напряжений на стенках и т.д.). Для удобного и наглядного представления
направления и скорости движения воздушных потоков результаты могут быть
визуализированы при помощи анимации. С помощью данной системы можно
определить коэффициенты теплоотдачи и плотности тепловых потоков
излучения с поверхности кабелей и стенки канала.
Пятая глава посвящена внедрению результатов расчета конструкции и
изготовления кабелей. В ней приведены результаты проведенных техникоэкономических расчетов кабелей, проложенных в кабельном канале. Получен
положительный эффект использования трехжильных кабелей с секторными
жилами в линии, проложенной в кабельном канале.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Проведено исследование электрического поля кабеля с секторными
жилами.
2. Разработан новый способ расчета геометрии секторной жилы. Построены
инженерные формулы расчета геометрии секторной жилы с помощью
аппроксимирующих полиномов.
3. Предложены способ и алгоритм расчета токовых нагрузок кабелей и
кабельных линий, проложенных в земле, с помощью программного
комплекса ANSYS, и проведено сравнение полученных данных с
результатами, определенными с использованием существующих
инженерных методик.
4. Проведен сравнительный анализ температурных полей и токовых
нагрузок кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение
10 кВ с жилами секторной формы с аналогичными одно- и трехжильными
кабелями с жилами круглой формы.
5. Выполнены
экспериментальные
и
численные
исследования
нестационарной задачи теплопроводности кабеля с изоляцией из сшитого
полиэтилена на напряжение 10 кВ с жилами секторной формы.
Теоретические результаты расчета температурных полей достаточно
хорошо согласуются с измеренными данными.
6. Разработана методика с распределенными параметрами 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.
7. Построена универсальная 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.
8. При одинаковом числе линий суммарная передаваемая мощность в
канале по линиям, сформированным из 3-х жильных кабелей с
секторными жилами, получилась больше, чем для линий,
сформированным из одножильных кабелей.
9. Построены в графическом виде картины тепловых полей, трассировки
движения потока в кабельном канале.
10.Разработана конструкция нового кабеля с изоляцией из сшитого
полиэтилена на напряжение 10 кВ с жилами секторной формы.
11.Определены технико-экономические показатели кабелей, проложенных в
кабельном канале. Получен положительный эффект использования
трехжильных кабелей с секторными жилами при организации линии в
кабельном канале.
Основные результаты работ отражены в следующих публикациях:
1. Терлыч А.Е., Труфанова Н.М., Савченко В.Г. Оценка качества готового
продукта в системе автоматизированного управления процессом
экструзии полимеров при изготовлении кабелей // Интеллектуальные
системы в производстве. 2010. № 1 (15). С. 169–173.
2. Казаков А.В., Труфанова Н.М., Савченко В.Г. Моделирование процессов
тепломассопереноса полимера в головке экструдера с учетом и без учета
зависимости вязкости от температуры // Интеллектуальные системы в
производстве. 2010. № 1 (15). С.130-133.
3. Казаков А.В., Труфанова Н.М., Савченко В.Г. Расчет влияния геометрии
каналов технологического инструмента кабельной головки на
возникновение вихревых потоков при наложении изоляции // Кабели и
провода. 2010. № 2 (321). С. 11–13.
4. Щербинин А.Г., Труфанова Н.М., Савченко В.Г. Определение токовых
нагрузок кабелей // Электротехника». 2010. № 6. С. 61–64.
5. Казаков А.В., Щербинин А.Г., Труфанова Н.М., Савченко В.Г. Расчет
охлаждения кабеля в канале с учетом конвективного тепломассобмена и
теплового излучения // Сб. науч. тр. «Вестник ПГТУ, Электротехника,
информационные технологии, системы управления» г. Пермь, ПГТУ, №
4, 2010, С. 4–11.
6. Щербинин А.Г., Труфанова Н.М., Савченко В.Г. Влияние геометрических
параметров шнека на работу экструдера. Сб. науч. тр. «Вестник ПГТУ,
Электротехника, информациионные технологии, системы управления» г.
Пермь, ПГТУ, № 9(3) 2009, с. 4 – 14.
7. Щербинин А.Г., Савченко В.Г. Исследование влияния геометрии шнека
на характеристики пластицирующего экструдера // Интеллектуальные
системы в производстве. 2010. № 1 (15). С. 198-205.
8. Щербинин А.Г., Савченко В.Г. Исследование процессов тепло- и
массопереноса полимера в каналах напорной и трубной кабельных
головок // Сб. науч. тр. «Инновационные технологии: теория.
Инструменты, практика (Innotech 2009). Пермь, ПГТУ. 2010. С. 80–92.
9. Савченко В.Г., Казаков А.В., Труфанова Н.М., д-р техн. наук, профессор,
Пермский государственный технический университет. Расчет влияния
геометрии каналов технологического инструмента кабельной головки на
возникновение вихревых потоков при наложении изоляции. // Кабели и
провода. 2010, № 2
10.Савченко В.Г., Труфанова Н.М., Щербин А.Г.
Расчет геометрии
секторной жилы // Кабели и провода. 2011, № 3