Метод контролю струмових перевантажень в силових кабелях середньої напруги

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин" – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". Дисертаційна робота присвячена розробці методу контролю струмових перевантажень в силових кабелях середньої напруги з ізоляцією із зшитого поліетилену. Виконано аналітичний огляд технічних переваг силових кабелів з ізоляцією із зшитого поліетилену; визначено, що при модернізації існуючих та проектуванні нових розподільчих мереж найважливішою є інформація про величину гранично допустимих струмів навантаження, що визначається саме за температурою струмопровідних жил кабелів. При значному перевищенні рівня нагрівання провідників (вище допустимого) струм навантаження повинен бути скоригований, що важливо для ефективного функціонування лінії в складі енергосистеми. Встановлено, що тривало допустимий струм в нормованих умовах експлуатації є головною технічною характеристикою пропускної спроможності кабелю. Використання стандартних методів визначення пропускної спроможності вимагає урахування особливостей конструкції кабелю, які притаманні саме кабелям середньої напруги зі зшитою поліетиленовою ізоляцією. В результаті проведених досліджень запропоновано модель, яка дозволяє визначати параметри тривалого струмового навантаження ЗПЕ-кабелю за рахунок введення в систему рівнянь аналітичного виразу для визначення коефіцієнту розсіяння тепла. Це дозволило врахувати особливості конструкції кабелю. Визначені та обґрунтовані напрямки дисертаційного дослідження. Теоретично і експериментально підтверджено метод контролю допустимих струмових перевантажень шляхом визначення постійної нагрівання кабелю струмом перевантаження. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження визначення динаміки нагрівання кабелів АПвЕгаПу – 1×70 – 35 кВ та ААШв 1х 75 – 10 кВ за різних температур оточуючого середовища. Проведений розрахунок динаміки нагрівання даних кабелів за допомогою двохпараметричної експоненційної моделі (параметр масштабу τmax = Θгр – Θос і параметр форми експоненти β), враховано умову збереження теплового балансу. Для даних типів конструкцій кабелів визначена стала нагрівання β. Встановлено, що за можливості, слід віддати перевагу експериментальному визначенню динаміки нагрівання конкретного кабелю в визначених умовах. За допомогою статистичної моделі визначено точність експериментальної оцінки. Проведено аналіз результатів розрахунку сталої нагріву жили, визначеної за різними моделями для кабелю АПвЕгаПу–1×70 – 35 кВ. Визначено, що порівняння орієнтовно розрахованих оцінок сталої нагрівання двох типів кабелів середньої напруги з результатами оцінювання відповідних значень як параметрів лінійної функції за результатами вимірювання динаміки нагрівання жил цих кабелів свідчить про те, що орієнтовний розрахунок сталої нагрівання кабелів середньої напруги відображає особливості їх конструкції, не вимагає тривалого експерименту і дозволяє тим самим оперативно і адекватно оцінити вплив конструкції кабелю на динаміку його нагрівання, використовуючи двохпараметричну експоненту. Проаналізовано вплив технологічних особливостей виготовлення ЗПЕ-кабелів. Проведено аналіз впливу структури напівпровідного екрану на розподіл електричного поля в ізоляції ЗПЕ-кабелю на напругу 35 кВ. Встановлено, що за умови застосування в матеріалі екрану пічної сажі замість ацетиленової на границі екран-ізоляція можуть виникати місця локального посилення електричного поля. Розроблено програми обчислень для методу подвійного конформного перетворення з метою визначення розподілу напруженості електричного поля з урахуванням того, що діелектрик складається з шарів з різними електрофізичними параметрами. Отримано аналітичне рішення для знаходження розподілу потенціалу в замкненій області. Проаналізовано процес дегазації ЗПЕ-кабелю, на основі протоколів термогравиметричного аналізу дані практичні рекомендації щодо строків дегазації. Встановлено, що у разі використання в матеріалу екрану ацетиленової сажу і забезпечено повну дегазацію кабелю, то максимальна напруженість електричного поля в ізоляції кабелю на напругу 35 кВ не перевищує 4…4,5 кВ/мм. В іншому разі локальне значення максимальної напруженості електричного поля в ізоляції кабелю на напругу 35 кВ може досягати кількох десятків кВ/мм, що є причиною виникнення часткових розрядів в ізоляції. Розроблено методу оцінки та контролю струмових перевантажень в ЗПЕ-кабелях середньої напруги. Встановлено, що необхідною умовою визначення допустимого струмового навантаження є визначення кривих перевантажувальної спроможності у вигляді залежностей кратності струму перевантаження Іп до гранично допустимого струму Ідоп в стаціонарному режимі роботи кабелю від часу перевантаження. Такі залежності дозволяють розробляти нормативи для конкретних кабельних ліній, оскільки відповідні кратності залежать від певних умов прокладання та експлуатації. За умови, що режим навантаження є допустимим, тобто поточний перегрів не перевищує максимально допустимий, визначено струм та час допустимого перевантаження. Проведено розрахунок коефіцієнту допустимого перевантаження від часу перевантаження. Встановлено, що визначення коефіцієнту допустимого перевантаження k дозволяє представити перевантажувальну здатність конкретного кабелю компактно у вигляді сімейства кривих допустимих перевантажень, при цьому необхідною є лише інформація про сталу нагрівання β. За результатами дослідження знайдено діапазон можливих режимів тривалого струмового навантаження для конкретної конструкції кабелю, визначено часові та температурні межі при заданому коефіцієнті перевантаження. Запропоновано представлену систему контролю допустимого струмового перевантаження ЗПЕ-кабелів інтегрувати в існуючу систему контрольних випробувань на підприємстві. Дані практичні рекомендації щодо впровадження запропонованого методу в систему існуючих контрольних випробувань на кабельних підприємствах. Відзначено, що доцільно використовувати запропонований метод контролю як неруйнівну діагностику силових кабелів. Результати розробок захищені патентом України на корисну модель. Розроблений метод контролю струмових перевантажень в силових кабелях середньої напруги впроваджено на кабельному заводі ТОВ "ЄВРОПАН" та в навчальному процесі кафедри електроізоляційної і кабельної техніки НТУ "ХПІ" при підготовці бакалаврів та магістрів за спеціальністю 141 – "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка", а саме в курсах "Основи кабельної техніки", "Розрахунок і конструювання силових кабелів і проводів", "Техніка випробувань електроізоляційних, кабельних та оптоволоконних систем".

Thesis on obtaining a scientific degree of Ph.D. in specialty 05.11.13 "Devices and methods of testing and determination of composition of substances" – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". The dissertation work is devoted to the development of the method of current overload control in medium voltage power cables with cross-linked polyethylene insulation. An analytical review of the technical advantages of power cables with crosslinked polyethylene insulation was performed; It is determined that when modernizing existing and designing new distribution networks, the most important is the information about the value of the maximum allowable load currents, which is determined by the temperature of the conductive cores of cables. If the heating level of the conductors is significantly exceeded (above the allowable), the load current must be adjusted, which is important for the efficient operation of the line in the power system. It is established that long-term allowable current in normalized operating conditions is the main technical characteristic of cable capacity. The use of standard methods for determining the bandwidth requires consideration of the design features of the cable, which are specific to medium voltage cables with cross-linked polyethylene insulation. As a result of the conducted researches the model which allows to define parameters of long current loading of XLPE-cable due to introduction in system of equations of analytical expression for definition of coefficient of heat dissipation is offered. This allowed to take into account the design features of the cable. The directions of dissertation research are defined and substantiated. The method of control of admissible current overloads by definition of a constant heating of a cable by an overload current is theoretically and experimentally confirmed. Theoretical and experimental researches of determination of dynamics of heating of cables of APvEgaPu - 1 × 70 - 35 kV and AAShv 1x 75 - 10 kV at different ambient temperatures are carried out. The calculation of the heating dynamics of these cables using the two-parameter exponential model (scale parameter τmax = Θgr – Θos and the shape parameter of the exponent β), taking into account the condition of maintaining the heat balance. For these types of cable designs, the constant heating β is determined. It is established that, if possible, preference should be given to experimental determination of the heating dynamics of a particular cable under certain conditions. The accuracy of the experimental estimation was determined using a statistical model. The analysis of the results of the calculation of the constant heating of the core, determined by different models for the cable APvEgaPu-1 × 70 - 35 kV. It is determined that the comparison of approximately calculated estimates of the heating constant of two types of medium voltage cables with the results of estimating the corresponding values as parameters of the linear function based on the measurement of heating dynamics of these cables indicates that the approximate calculation of the heating medium of medium voltage cables does not long experiment and thus allows you to quickly and adequately assess the impact of cable design on the dynamics of its heating, using a two-parameter exponent. The influence of technological features of production of XLPE-cables is analyzed. The influence of the structure of the semiconductor screen on the distribution of the electric field in the insulation of the XLPE-cable at a voltage of 35 kV is carried out. It is established that if a furnace soot is used in the screen material instead of acetylene, places of local electric field amplification may occur at the screeninsulation boundary. Calculation programs have been developed for the method of double conformal transformation in order to determine the distribution of the electric field strength, taking into account the fact that the dielectric consists of layers with different electrophysical parameters. An analytical solution for finding the potential distribution in a closed domain is obtained. The process of degassing of XLPE-cable is analyzed, on the basis of protocols of thermogravimetric analysis practical recommendations concerning terms of degassing are given. It is established that in the case of using acetylene carbon black in the screen material and complete degassing of the cable is provided, the maximum electric field strength in the cable insulation at a voltage of 35 kV does not exceed 4… 4.5 kV / mm. Otherwise, the local value of the maximum electric field strength in the cable insulation at a voltage of 35 kV can reach several tens of kV / mm, which is the cause of partial discharges in the insulation. A method for estimating and controlling current overloads in medium-voltage XLPE-cables has been developed. It is established that a necessary condition for determining the allowable current load is to determine the curves of overload capacity in the form of dependences of the multiplicity of the overload current Ip to the maximum allowable current Idop in stationary mode of cable operation from the time of overload. Such dependencies allow the development of standards for specific cable lines, as the corresponding multiplicities depend on certain conditions of laying and operation. Provided that the load mode is permissible, ie the current overheating does not exceed the maximum permissible, the current and time of permissible overload are determined. The calculation of the allowable overload coefficient from the overload time is performed. It is established that the determination of the allowable overload coefficient k allows to represent the overload capacity of a particular cable compactly in the form of a family of curves.